高频腔失谐检测单元及其检测方法技术

本公开提供了一种高频腔失谐检测单元及其检测方法，本公开提供的高频腔失谐检测单元包括数据采集模块和处理器组件；数据采集模块直接采集高频腔腔体的取样信号；处理器组件包括FPGA；处理器组件与数据采集模块相连，对数据采集模块采集的取样信号进行数字鉴相获得相位参数，并将相位参数进行线性拟合，以计算得到失谐相角。本公开用于脉冲模式下的质子或重离子束治癌装置直线加速器自动调谐系统，使高频腔工作在谐振状态。

【技术实现步骤摘要】
高频腔失谐检测单元及其检测方法
本公开涉及加速器低电平控制
，尤其涉及一种高频腔失谐检测单元及其检测方法。
技术介绍
谐振腔作为质子或重离子束治癌装置直线加速器高频系统的重要组成部分，在粒子加速的过程中起着重要的作用。谐振腔的关键特性是固有谐振频率和腔体阻抗，加速器正常工作时谐振腔处于谐振状态下，固有频率和高频参考频率基本一致，腔体阻抗与发射机基本匹配，发射机输出功率传输到谐振腔，在腔体中建立满足物理加速电压要求的加速电场，实现对带电粒子的加速。在实际运行当中，由于高频输出功率的大小、束流的强弱、腔体损耗发热引起物理形变、机械振动等因素的影响，谐振腔的固有频率会发生变化，使腔体固有频率和高频参考频率不一致，造成腔体失谐。因此需要腔体失谐检测单元对失谐情况进行检测，并根据失谐情况控制腔体调谐装置，使腔体的失谐保持在允许的范围内。现有技术利用高频腔体的输入输出信号测量腔体失谐角，失谐角定义为腔体取样信号和输入信号的相位差，依据腔体输入输出特性，在腔体谐振状态下，失谐角为零、输出幅度最大；通过鉴相环节测量腔体输入和取样信号的相位参数，然后进行比相，同时通过检波环节测量取样信号幅度，对比相结果依据取样信号幅度参数进行相位校正，获得腔体失谐角。但目前现有技术中还存在以下问题，首先，依据腔体输入输出特性，需要同时测量前向信号和取样信号的稳态相位参数，对于质子或重离子束治癌装置直线加速器一般工作在脉冲模式下的，射频脉冲宽度一般为几百个微秒，现有技术需要剔除脉冲上下沿的瞬态响应过程；其次现有技术需要测量失谐角，对取前向信号和取样信号的进行比相，但由于存在线缆长度等因素引起的相移，比相结果需要依据取样信号幅度参数进行相位校正，不同输出功率下需要重新校相；最后，现有技术在鉴相检波时，前向信号和取样信号需要通过模拟射频前端变频至中频信号，而模拟视频前端容易受温度等因素影响，需要放置在恒温箱中。因此，现有技术还亟有待于改进和发展。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种高频腔失谐检测单元及其检测方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种高频腔失谐检测单元包括：数据采集模块和处理器组件；数据采集模块直接采集高频腔腔体的取样信号；处理器组件包括FPGA；处理器组件与数据采集模块相连，对数据采集模块采集的取样信号进行数字鉴相获得相位参数，并将相位参数进行线性拟合，以计算得到失谐相角。在本公开的一些实施例中，FPGA包括：IQ解调模块、数字鉴相模块和失谐计算模块；IQ解调模块获取IQ参数；数字鉴相模块根据获取的IQ参数获取相位参数；失谐计算模块将相位参数进行线性拟合计算，获取高频腔腔体失谐信息Δω；根据失谐信息Δω计算失谐频率Δf；根据失谐频率Δf和已知参数Q1计算失谐相角。在本公开的一些实施例中，处理器组件还包括DSP，DSP与FPGA相连，对FPGA进行辅助运算处理。在本公开的一些实施例中，数据采集模块为模数转换器。在本公开的一些实施例中，模数转换器的分辨率为8位、10位、12位和/或16位中的任一种。根据本公开的一个方面，还提供了一种高频腔失谐检测方法包括：步骤A：在高频腔取样信号通过数据采集模块采集样本点；步骤B：样本点通过处理器组件中的FPGA进行数字鉴相，并将相位参数进行线性拟合，求得高频腔腔体失谐信息Δω；步骤C：根据高频腔腔体失谐信息Δω，计算获得失谐频率Δf；步骤D：根据高频腔腔体已知参数Q1和失谐频率Δf，计算失谐相角。在本公开的一些实施例中，步骤A包括：根据高频腔腔体取样信号采集样本点；高频腔腔体取样信号表达式为：其中，V(t)为高频腔腔体取样信号，A为幅度，f为频率，t为时间，为相位。在本公开的一些实施例中，步骤B包括：子步骤B1：通过IQ解调模块获取IQ参数，IQ参数的表达式为：其中，I为同相分量，Q为正交分量，A为幅度，为相位；子步骤B2：通过数字鉴相模块，在高频腔取样信号相位曲线的下降沿获取相位参数，相位参数表达式为：其中，为相位，I为同相分量，Q为正交分量；子步骤B3：通过失谐计算模块，将N个相位参数进行线性拟合计算，获取高频腔腔体失谐信息Δω。在本公开的一些实施例中，步骤C中根据高频腔腔体失谐信息Δω，计算获得失谐频率Δf，失谐频率Δf表达式为：其中，Δω为失谐信息，Δf为失谐频率。在本公开的一些实施例中，步骤D中失谐相角表达式为其中，θ为失谐相角，Δf为失谐频率，f为频率，Ql为腔体品质因数。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开高频腔失谐检测单元及其检测方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：(1)数据采集模块直接采集高频腔腔体的取样信号，有效提高了信号取样的效率。(2)在FPGA中完成数字鉴相，充分利用FPGA快速定点处理的优势。(3)在高频腔取样信号相位曲线的下降沿期间通过样本点线性拟合，能够更加准确的检测腔体失谐，适用于加速器高频腔谐振频率控制系统，进而应用于生物(医疗)、航天和工业等领域。(4)DSP与FPGA连接，通过采用DSP对FPGA进行辅助运算处理，以充分发挥DSP的浮点运算能力和FPGA的快速定点处理的优势。附图说明图1为本公开实施例高频腔失谐检测单元的结构示意图。图2为本公开实施例高频腔失谐检测方法的流程框图。图3为本公开实施例高频腔输入输出幅度相位特性。图4为本公开实施例高频腔取样信号相位曲线。图5为本公开另一实施例中高频腔失谐检测单元的结构示意图。具体实施方式本公开提供了一种高频腔失谐检测单元及其检测方法。本公开提供的高频腔失谐检测单元包括数据采集模块和处理器组件；数据采集模块直接采集高频腔腔体的取样信号；处理器组件包括FPGA；处理器组件与数据采集模块相连，对数据采集模块采集的取样信号进行数字鉴相获得相位参数，并将相位参数进行线性拟合，以计算得到失谐相角。本公开用于脉冲模式下的质子或重离子束治癌装置直线加速器自动调谐系统，使高频腔工作在谐振状态。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种高频腔失谐检测单元。图1为本公开实施例高频腔失谐检测单元的结构示意图。如图1所示，本公开高频腔失谐检测单元，包括：数据采集模块和处理器组件。数据采集模块直接采集高频腔腔体的取样信号；处理器组件包括FPGA；处理器组件与数据采集模块相连，对数据采集模块采集的取样信号进行数字鉴相获得相位参数，并将相位参数进行线性拟合，以计算得到失谐相角。FPGA包括：IQ解调模块、数字鉴相模块和失谐计算模块；IQ解调模块获取IQ参数。数字鉴相模块根据获取的IQ参数获取相位参数。失谐计算模块将相位参数进行线性拟合计算，获取高频腔腔体失谐信息Δω；根据失谐信息Δω计算失谐频率Δf；根据失谐频率Δf和已知参数Ql计算失谐相角。数据采集模块为模数转换器。模数转换器的分辨率为8位、10位、12位和/或16位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高频腔失谐检测单元，包括：数据采集模块，直接采集高频腔腔体的取样信号；处理器组件，所述处理器组件包括FPGA；所述处理器组件与所述数据采集模块相连，对所述数据采集模块采集的取样信号进行数字鉴相获得相位参数，并将相位参数进行线性拟合，以计算得到失谐相角。

【技术特征摘要】
1.一种高频腔失谐检测单元，包括：数据采集模块，直接采集高频腔腔体的取样信号；处理器组件，所述处理器组件包括FPGA；所述处理器组件与所述数据采集模块相连，对所述数据采集模块采集的取样信号进行数字鉴相获得相位参数，并将相位参数进行线性拟合，以计算得到失谐相角。2.根据权利要求1所述的高频腔失谐检测单元，所述FPGA包括：IQ解调模块，获取IQ参数；数字鉴相模块，根据获取的IQ参数获取相位参数；失谐计算模块，将相位参数进行线性拟合计算，获取高频腔腔体失谐信息Δω；根据失谐信息Δω计算失谐频率Δf；根据失谐频率Δf和已知参数Q1计算失谐相角。3.根据权利要求1所述的高频腔失谐检测单元，所述处理器组件还包括DSP，所述DSP与所述FPGA相连，对所述FPGA进行辅助运算处理。4.根据权利要求1所述的高频腔失谐检测单元，所述数据采集模块为模数转换器。5.根据权利要求4所述的高频腔失谐检测单元，所述模数转换器的分辨率为8位、10位、12位和/或16位中的任一种。6.一种高频腔失谐检测方法，包括：步骤A：在高频腔取样信号通过数据采集模块采集样本点；步骤B：样本点通过处理器组件中的FPGA进行数字鉴相，并将相位参数进行线性拟合，求得高频腔...

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑞锋，许哲，王贤武，丛岩，李世龙，韩小东，
申请(专利权)人：中国科学院近代物理研究所，惠州离子科学研究中心，
类型：发明
国别省市：甘肃,62