[發(fā)明專利]一種激光加速器自動重頻打靶的時間連鎖控制系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011006538.5
• 申請日: 2020-09-23
• 公開（公告）號: CN112135412B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林晨;楊童;顏學(xué)慶
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: H05H15/00
• 分類號: H05H15/00
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

本發(fā)明公開了一種激光加速器自動重頻打靶的時間連鎖控制系統(tǒng)及方法。本發(fā)明將靶體放置在六軸平移臺上，在激光器上加裝激光兩級快門，將六軸平移臺、激光兩級快門和探測器分別連接至相應(yīng)的控制器，并將控制器連接至相應(yīng)的計算機，各個計算機連接至交換機，交換機連接至總控計算機；總控計算機發(fā)出控制指令至交換機；交換機將控制指令轉(zhuǎn)換為共享變量傳輸至相應(yīng)的各個計算機；各個計算機將共享變量轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂苿幼鞣謩e發(fā)放給相應(yīng)的受控設(shè)備，實現(xiàn)了對觸發(fā)信號、激光脈沖、靶場以及多種探測儀器的監(jiān)控和連鎖，從而實現(xiàn)激光自動重頻打靶和同步探測；在本發(fā)明中，整個控制系統(tǒng)能夠以1Hz的頻率進行自動化激光打靶和同步束流診斷，整個系統(tǒng)穩(wěn)定性超過1％。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光離子加速自動控制技術(shù)，具體涉及一種激光加速器自動重頻打靶的時間連鎖控制系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)

粒子加速器是對人類科學(xué)研究發(fā)展有重要影響的大型科學(xué)設(shè)備，在癌癥放射治療領(lǐng)域也發(fā)揮著不可替代的作用。目前廣泛使用的傳統(tǒng)光子治療腫瘤，不可避免對淺層的健康組織造成傷害。加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束，得益于其布拉格峰能量沉積特性，可以通過控制質(zhì)子的能量、束斑等參數(shù)，可將劑量沉積集中在腫瘤區(qū)域，提高對腫瘤的殺滅能力，并顯著減少周圍健康組織的傷害，因而成為目前最先進的癌癥治療手段。但是基于傳統(tǒng)加速器的離子放療裝置，具有龐大的尺寸和昂貴造價瓶頸，限制了離子放療和的推廣應(yīng)用，腫瘤醫(yī)療需求得不到滿足。

基于以上背景，科研人員提出利用基于激光等離子體加速器的新型質(zhì)子放療裝置。激光等離子體加速器是一種依靠激光與等離子體相互作用對帶電粒子進行加速的高加速梯度的新型加速器，其加速介質(zhì)是電離化的等離子體，不受擊穿效應(yīng)的限制；近20年來激光技術(shù)飛速發(fā)展，使其已經(jīng)能夠達到TV/m的加速場梯度，在幾十微米的尺度內(nèi)可以將質(zhì)子加速到MeV到百MeV的能量。相比于傳統(tǒng)加速器而言，激光等離子體加速器小型化、低造價的優(yōu)勢明顯。目前的實驗中，利用超短超強激光與納米厚度固體靶體相互作用，已經(jīng)加速獲得接近100MeV的質(zhì)子束。利用束線系統(tǒng)，人們也成功實現(xiàn)了激光加速質(zhì)子束的參數(shù)精確調(diào)控。北京大學(xué)建造了首臺超小型激光離子加速器(CLAPA)，產(chǎn)生了穩(wěn)定可控的單能質(zhì)子束，并實現(xiàn)了激光加速質(zhì)子束的擴展布拉格峰劑量沉積分布。隨著激光加速器逐漸走向成熟，其在腫瘤放療領(lǐng)域應(yīng)用前景已引起越來越多的重視。

目前的激光加速實驗仍然基于單發(fā)打靶系統(tǒng)。在打靶結(jié)束后，需要進行找尋下一個靶點的位置，記錄各類探測器的結(jié)果等一系列動作。在實際的腫瘤放療中，需要高重頻的束流來實現(xiàn)與腫瘤部分精準契合的三維劑量沉積。當(dāng)輻照終端探測到劑量超過治療計劃給定值的2％時就需要觸發(fā)安全聯(lián)鎖來切斷束流，確保輻照安全。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，TW功率的激光重率已經(jīng)提高到了10Hz，PW激光器的重頻也可以達到1Hz。為了滿足輻照治療所需要的劑量需求，必須要發(fā)展針對激光加速器的重頻打靶系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

為了滿足輻照治療所需要的劑量需求，本發(fā)明提出了一種基于控制系統(tǒng)提出了針對激光加速器的自動重頻打靶的控制系統(tǒng)及其控制方法，通過TCP/IP(傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議)通信協(xié)議連接，實現(xiàn)了對觸發(fā)信號、主激光脈沖、靶場以及多種探測儀器的監(jiān)控和連鎖，從而實現(xiàn)激光自動重頻打靶和同步探測。

本發(fā)明的一個目的在于提出一種激光加速器自動重頻打靶的時間連鎖控制系統(tǒng)。

激光器包括：振蕩器、展寬器、再生放大器、多通放大器、壓縮器和泵浦源，振蕩器產(chǎn)生種子激光脈沖，后經(jīng)展寬器展寬，由再生放大器初步放大，初步放大后的種子激光脈沖再經(jīng)過多通放大器進一步放大為主激光脈沖，主激光脈沖經(jīng)過壓縮器壓縮后與靶體相互作用；其中，在多通放大器中，種子激光脈沖由泵浦源提供能量增益為主激光脈沖。