高性能YOLOv3-tiny嵌入式硬件加速器的混合优化设计

为解决在嵌入式设备中部署神经网络受算法复杂度、执行速度和硬件资源约束的问题,基于Zynq异构平台,设计了一个高性能的YOLOv3-tiny网络硬件加速器。在算法优化方面,将卷积层和批归一化层融合,使用8 bit量化算法,简化了算法流程;在加速器架构设计方面,设计了可动态配置的层间流水线和高效的数据传输方案,缩短了推理时间,减小了存储资源消耗;在网络前向推理方面,针对卷积计算,基于循环展开策略,设计了8通道并行流水的卷积模块;针对池化计算,采用分步计算策略实现对连续数据流的高效处理;针对上采样计算,提出了基于数据复制的2倍上采样方法。实验结果表明,前向推理时间为232 ms,功耗仅为2.29 W,系统工作频率为200 MHz,达到了23.97 GOPS的实际算力。

面向杂凑密码算法的专用指令加速器的设计与实现

物联网的快速发展对嵌入式设备的系统性能和数据安全性的要求越来越高,传统的通用嵌入式处理器对密码算法的实现效率不高,不能很好满足性能需要,此外嵌入式设备还有着低功耗的场景需求。为解决以上问题,在Xilinx ZYNQ ZC706嵌入式开发平台上设计了一个低功耗的面向杂凑密码算法的专用指令加速器,该加速器包含有取指译码单元、执行单元和数据访存单元,通过多任务数据并行和专用指令实现计算加速;并设计令牌机制解决指令执行时的数据冲突问题;在高层次综合(high-level synthesis,HLS)工具的基础上通过存储优化改进访存机制,有效提高带宽利用率。实验结果表明,加速器的工作频率为100 MHz,该ARM+FPGA方案相较于单ARM方案可达3倍以上的加速效果,而且运行功耗仅为2.23 W,该加速器也可定制化拓展,有较好的灵活性。

XiPAF重离子同步加速器超高真空系统设计

在重离子同步加速器运行过程中需要维持超高真空,降低束流与残余气体的碰撞概率,从而提高束流寿命。具体要求一般为:真空管道内的平均真空度达到超高真空度(10^(–10)Pa量级),并且管道内各处真空度均优于设计值。本文研究了重离子同步加速器中超高真空系统的实现方法,即使真空泵不能均匀分布在束线上,也可以实现真空管道内各处真空度均优于设计指标。采用的主要技术路线是,降低束流管道材料的比放气率,同时增大真空泵组的抽速。具体实施方案是:通过在真空管道内表面镀非蒸发型吸气剂(NEG)薄膜及高温烘烤真空管道降低束流管道材料的比放气率;设计使用大抽速钛升华泵(TSP)以增加真空泵抽速。其中,NEG镀膜技术既可以阻隔真空管道内壁的放气,又有吸气的效果,可以提高真空管道内各处的真空度。以上超高真空系统实现方法已应用于西安200 MeV质子应用装置(XiPAF)重离子升级工程中的重离子同步加速器的真空系统设计。真空管道内表面的NEG薄膜的吸速为0.5 L/(s·cm^(2));在重离子同步加速器上配置36台钛升华泵,每台钛升华泵对氢气的有效抽气量为2200 L/s;应用Molflow+软件模拟XiPAF重离子同步加速器真空管道内部的真空度分布。通过设计优化,计算表明该加速器在运行时预计平均真空度可以小于5×10^(–10)Pa,沿环形管道各处的真空度也均小于5×10^(–10)Pa,满足同步环物理设计要求。

中国原子能科学研究院紧凑型强流质子回旋加速器的发展和应用

中国原子能科学研究院(简称原子能院)自1958年建成我国第1台回旋加速器以来,已经研发出了一系列强流回旋加速器装置,为我国核学科和核技术应用等发展发挥了极其重要的作用。原子能院在1996年建成了我国第一台专用于医用同位素生产的30 MeV/350μA强流质子回旋加速器,在2014年建成了国际上最大的紧凑型强流质子回旋加速器大科学装置(100 MeV/520μA)。在2021年,原子能院自主研发出了国内首台引出流强1 mA以上的14 MeV强流质子回旋加速器。该加速器的建成,为我国基于小型化强流质子回旋加速器的中子源应用奠定了基础。基于14 MeV强流质子回旋加速装置,先后建成了国内首台用于硼中子俘获治疗(BNCT)的治疗装置样机和用于中子成像无损检测的实验验证样机,并开展了相关实验研究。目前,原子能院正在研制用于BNCT临床等应用的18 MeV/1 mA强流质子回旋加速器,并且正在开展流强达到3~5 mA的基于H_(2)^(+)的新型强流回旋加速器的研发。原子能院的强流回旋加速器,在基于加速器中子源的BNCT和中子成像、加速器生产医用放射性同位素等应用方面将发挥重要的作用。

Mobetron术中放疗加速器的物理测试和操作技术

目的探讨Mobetron 1000移动式术中放疗加速器电子线的剂量学特性和操作技术。方法对Mobetron加速器所配套的47个不同形状、尺寸的限光筒进行4、6、9、12 Mev共4种能量的物理数据测量分析,总结临床32例患者的术中放射治疗操作经验。结果直径10 cm、端面0°的限光筒的4、6、9、12 Mev能量的最大深度剂量分别是0.6、1.2、1.6、2 cm,治疗深度分别为0.9、1.8、2.5、3.4 cm。32例患者术中放射治疗剂量正确,操作顺利,无意外发生。结论应用移动式术中放疗加速器具有正常组织保护好、治疗时间短、生物效应高等优势。

可移动式术中放射治疗加速器(Mobetron)长期稳定性分析

目的:对Mobetron移动式术中放疗加速器的质量控制测量数据进行分析,研究其长期稳定性。方法:对一年来的质控数据进行分析,评价其剂量输出稳定性、能量输出稳定性;将年检结果与ATP结果相比较,评价其平坦度对称性稳定性。结果:一年中,每月剂量输出量的稳定性在±2%之内;能量输出的稳定性保持在±3%以内;射束的平坦度对称性≤6%,对称性≤2%。结论:Mobetron移动式术中放疗加速器具有很好的长期稳定性,能充分满足临床使用要求。

Mobetron移动式术中放疗加速器的短期稳定性分析

目的:对Mobetron移动式术中放疗加速器的质量控制测量数据进行分析,研究其短期稳定性。方法:利用随机附带的IntraOP QA Phantom测量系统,针对机器持续停机/开机的稳定性、剂量输出稳定性、能量输出稳定性进行测量。结果:机器在持续停机或者持续开机后,其剂量输出量的变化在±2%之内;机器的剂量输出稳定性保持在±2%之内;能量输出的稳定性保持在±3%以内。结论:Mobetron移动式术中放疗加速器具有很好的短期稳定性,能充分满足临床使用要求。

放疗直线加速器设备的典型故障与维修措施研究

以保证放疗直线加速器设备的稳定运行为前提,针对医科达Synergy和infinity设备,分析放疗直线加速器设备面临典型故障与维修措施。首先,对该设备做出介绍,了解医科大设备的性能与技术参数。其次,总结设备在使用中容易出现的线路、机械、控制系统这三种典型故障,提出故障的解决方法。最后,提出增加电子元件的检查频率、观察元器件运行指标、定期开展设备检查与管理、控制设备空气湿度、严格控制加速器机械精准度五点建议,优化设备的运行质效,以期能够为医院设备维护、患者的放射治疗提供支持。

医用直线加速器非标准束流状态下对剂量学输出影响的研究

目的探讨非标准束流状态对医用直线加速器剂量学参数的影响。方法以Elekta Precise医用直线加速器为研究对象,通过在维修模式调整6 MV束流的伺服参数,模拟常规参数的变化特性,获得4种非标准束流状态(以上参数不稳定致使设备报对应联锁,但复位后设备可继续出束),包括剂量率、2R Err(y方向的均整度与对称性报错值)、2T Err(x方向的均整度与对称性报错值)、Hump Err(峰值报错值)联锁。采用UNIDOS剂量仪、MatriXX二维矩阵及ArcCheck三维剂量验证设备分别测量不同非标准束流状态下的绝对剂量、能量辐射品质、均整度与对称性、调强剂量验证γ通过率等剂量学参数,并与标准束流状态的剂量学参数进行比较。结果非标准束流状态下,除2R Err联锁的剂量学参数与标准束流状态保持一致外,其他非标准束流状态的剂量学参数均与标准束流状态有明显差异。结论医用直线加速器偶尔报2R Err联锁不影响设备的剂量学参数及临床应用,但剂量率不稳、2T Err及Hump Err联锁会影响设备的剂量学参数,需及时进行质量控制。

应用型电子直线加速器用C波段大功率速调管研究与开发

为满足C波段应用型直线加速器功率源要求,研制了一支C波段大功率速调管。通过对电子枪结构模拟计算并利用正反向组合式聚焦线圈调整过渡区磁场,完成了电子光学系统设计,电子注通过率达到100%,电子注波动率为4.8%。综合应用一维至三维计算程序对注-波互作用段开展参数优化及PIC仿真,最终确定了6个谐振腔的速调管方案。腔体加工冷测调配后焊接形成整管,并开展了高功率测试,在电子注电压为115 kV、电流为79.6 A条件下,馈入频率为5712 MHz、功率为100 W的信号时,该速调管可输出的峰值功率为3.52 MW,增益为45.5 dB,效率为38.5%,达到了预期研制目标。

第四代同步辐射光源加速器物理与技术

同步辐射光源是20世纪应用最广泛的高性能X射线源,已成为物理、化学、能源环境、生物医学、先进材料等领域前沿研究的重要工具。进入21世纪,基于电子储存环的同步辐射光源的发展前沿是第四代同步辐射光源(4GLS)。其采用紧凑型的多弯铁消色散结构,可以实现接近甚至达到X射线衍射极限的超低束流发射度,将光源亮度在第三代光源基础上进一步提升2—3个数量级。文章将重点介绍第四代同步辐射光源关键的加速器物理与技术,以及国际范围内第四代同步辐射光源装置的发展情况。

电子加速器诱变育种材料进展初报

种质创新是育种的关键,利用电子加速器产生的X射线作为诱变工具,探索并优化这一技术在育种材料中的应用策略。首先,通过精细调控确定了针对不同处理对象的半致死/半致矮剂量阈值,随后逐步微调辐照强度,旨在诱发遗传变异的同时保持处理对象的存活率。进一步探讨了处理材料的最佳处理时机与方式,以期最大化辐照诱导变异的效率。针对多种作物实施了辐照处理,初步成效显著。玉米植株在辐照后表现出显著的株高矮化现象,且矮化程度与处理强度呈正相关;大豆辐照后不仅株高降低,还展现出抗虫性增强,表明辐照诱导了有利性状的产生;藜麦在辐照后株高、叶色、花色及穗形等多个性状上展现出广泛的遗传变异;通过特定辐照处理并筛选,成功培育出具有显著抗除草剂特性的水稻植株,为杂草管理提供了新策略。以上研究结果不仅丰富了诱变育种的理论体系,也为作物遗传改良与品种创新开辟了新途径。

基于14MeV回旋加速器同位素^(18)F生产的液体靶系统研制

因放射性核素^(18)F标记的氨基酸在脑肿瘤显像方面显示出独特的优势,本课题组通过14 MeV回旋加速器,以铌为靶体材料,利用^(18)O(p,n)^(18)F反应,生产^(18)F同位素,研制液体靶系统。为解决以氦气冷却的液体靶系统结构复杂的问题,本研究以直接水冷作为液体靶系统冷却方式,详细探究液体靶每个部件的结构设计及关键部件材料选择,并对其输运系统和控制系统进行稳定性测试。结果表明,在20μA的束流强度照射下,照射时间为2 h的产额为1.5 Ci。目前已经在北京大学进行实验研究,该系统具有良好的稳定性、重复性。

超大颗粒肥水田气力深施加速器设计及参数优化

为解决水稻撒施追肥存在的肥料流失、利用率低及机械深施肥工作部件易堵塞、伤根等问题,该研究设计了一种用于水田深施追肥机的超大颗粒肥气力式加速器。该加速器利用双螺旋高压气流,在其与肥料上端构成的近封闭空间内加速超大颗粒肥,实现其高速射入泥壤,并可避免肥料颗粒与管壁碰撞;出口设置渐扩管扩散气流,可减轻对泥壤的冲击,提高施肥位置的稳定性。根据超大颗粒肥参数与加速器功能要求,确定了加速器的结构参数,并根据肥料入泥深度所需的射出速度,分析确定了加速器的工作参数。在此基础上,基于Fluent软件的六自由度重叠动网格建立了加速器仿真模型,以进口气流速度、螺旋角和加速管直径为试验因素,进行单因素仿真试验与三因素三水平Box Behnken组合仿真试验,研究各因素对肥料射出速度与气流扩散率的影响。多因素试验分析及响应面分析结果表明,加速器的最佳工作参数为进口气流速度47 m/s、加速管直径21 mm、螺旋进气口螺旋角43°。在此条件下进行台架验证试验,得到肥料射出速度均值为12.61 m/s,出口气流扩散率均值为85.5%,肥料入泥平均深度为4.7 cm,达到了水稻追肥要求。该研究可为超大颗粒肥水田气力深施追肥机设计提供参考。

放疗直线加速器设备的维修研究

为了提高放疗直线加速器的应用效能,围绕此设备的维修展开分析。首先介绍放疗直线加速器,明确此设备的效能。其次总结设备经常面临的几种故障,并提出操作人员严格按照设备错误提示与警告进行维修、综合分析故障成因、加强观察、其他维修建议四点故障维修建议,最后总结设备使用方法与注意事项,为今后该设备的应用以及故障维修积累经验,以期能够进一步推动我国医疗卫生行业的现代化发展。

加速器生产重要医用放射性同位素及应用概况

随着核科学技术的快速发展,医用放射性同位素在核医学中发挥着越来越重要的作用,被广泛应用于心脑血管、肿瘤等疾病的诊断和治疗。利用加速器生产医用放射性同位素,具有灵活高效、系统安全、活度高等优势,是确保医用放射性同位素安全、稳定供应的重要生产方式之一。2021年,国家八部门联合发布《医用同位素中长期发展规划(2021-2035)》,明确了我国到2035年前需要重点发展的重要医用同位素有14种,其中9种同位素均可以由加速器生产。本文主要介绍了规划中列出的9种重要医用同位素的加速器生产和应用概况。规划中加速器生产的显像核素主要有^(123)I、^(124)I、^(64)Cu、^(68)Ga、^(89)Zr,治疗核素有^(186)Re、^(103)Pd、^(225)Ac、^(223)Ra。其中,^(225)Ac、^(68)Ge、^(223)Ra是中高能加速器进行同位素生产的重点,也是加速器生产放射性同位素主要的发展趋势。本研究分别对上述诊断和治疗核素的核性质、用途、反应截面及产额、生产方式等进行综述,以期为相关核素生产提供参考。

大功率花瓣加速器X射线闪光放射治疗设备设计研究

目的:研究设计一种用于超高剂量率的闪光放射治疗(Flash-RT)设备,用于超高剂量率Flash-RT的机制研究。方法:Flash-RT设备的设计基于大功率花瓣加速器技术路线,可实现Flash-RT对超高剂量率及多照射角度的需求。从设备总体设计、主要组件及特点、束流动力学设计、移动及初步实验平台搭建等方面开展相应设计与研究。结果:设计的Flash-RT设备剂量率在距离靶点0.8 m处可达到100 Gy/s,并且容易实现多角度的放射治疗方式。结论:基于大功率花瓣加速器技术路线设计的X射线设备,可实现超高剂量率的医用Flash-RT设备机制的研究。

阿克量级放射性同位素分析的加速器质谱分析技术及其进展

加速器质谱(AMS)技术已发展成为测试超低含量长寿命放射性核素的最灵敏手段,探测限降低至阿克量级。该文对加速器质谱的基本原理、加速器质谱仪基本结构、仪器经历的四代发展演化情况以及加速器质谱相关的关键技术进行了综述,以便于感兴趣的科研人员或从事相关交叉研究的青年科技工作者了解加速器质谱的技术原理、发展趋势、应用领域和范围,促进该技术的应用和学科交叉融合创新。近10年来,我国加速器质谱技术发展快速,仪器设备急剧增加,实验室建设和应用领域发展迅猛,在建及建成各类设备二十余台,设备类型愈发多样化,测试核素同样经历了最初的14C单一核素到现在“主流长寿命放射性核素”的近乎全覆盖扩展,应用范围不断扩大,对我国加速器质谱实验室的建设发展情况进行梳理和汇总也正得其时。加速器质谱技术除了推动传统的基础科学研究外,必将在对全球气候、环境污染、公众健康和国际性的核材料安全防护等热点问题的研究中做出越来越大的贡献,发挥越来越重要的作用。

基于Halcyon加速器百分百图像引导模式下盆腔肿瘤CTV-PTV边界外放的研究

目的探讨基于Halcyon加速器百分百图像引导模式下盆腔肿瘤临床靶区-计划靶区(Clinical Target Volume,CTV)-(Planning Target Volume,PTV)边界外放的摆位误差。方法选取2023年1—5月在Halcyon加速器上行调强放射治疗的19例盆腔肿瘤患者为研究对象,采集每个患者分次间、纠正后、分次内300套共900个锥形束CT图像,与计划CT进行配准融合,得到三维方向上的矢量误差,用X(左右)方向、Y(头脚)方向、Z(腹背)方向表示。计算摆位误差及分布趋势,并根据纠正后及分次内的摆位误差计算CTV-PTV的外放边界。结果X方向上,分次间、纠正后、分次内的摆位绝对误差分别为(2.07±1.82)、(0.19±0.19)、(0.30±0.28)mm;Y方向上,分次间、纠正后、分次内的摆位绝对误差分别为(3.87±2.67)、(0.23±0.31)、(0.27±0.23)mm;Z方向上,分次间、纠正后、分次内的摆位绝对误差分别为(0.72±0.83)、(0.20±0.22)、(0.30±0.27)mm,差异均有统计学意义(P<0.05)。纠正后和分次内X、Y、Z 3个方向分别有97%和96.33%的摆位误差在1 mm以内。CTV-PTV外放边界从6.36 mm缩小到1.06 mm。结论从摆位误差角度来看,基于Halcyon加速器百分百图像引导模式下的盆腔肿瘤治疗,根据纠正后和分次内的摆位误差计算CTV-PTV外放边界为1.1 mm。通过Halcyon加速器治疗盆腔肿瘤患者可降低摆位误差,提高患者靶区和危及器官的安全精度,缩小CTV-PTV边界外放值,减少正常组织的累及体积。

MRNDA:一种基于资源受限片上网络的深度神经网络加速器组播机制研究

片上网络(Network-on-Chip,NoC)在多处理器系统中得到了广泛的应用.近年来,有研究提出了基于NoC的深度神经网络(Deep Neural Network,DNN)加速器.基于NoC的DNN加速器设计利用NoC连接神经元计算设备,能够极大地减少加速器对片外存储的访问从而减少加速器的分类延迟和功耗.但是,若采用传统的单播NoC,大量的一对多数据包会极大的提高加速器的通信延迟.并且,目前的深度神经网络规模往往非常庞大,而NoC的核心数量是有限的.因此,文中提出了一种针对资源受限的NoC的组播方案.该方案利用有限数量的处理单元(Processor Element,PE)来计算大型的DNN,并且利用特殊的树形组播加速网络来减少加速器的通信延迟.仿真结果表明,和基准情况相比,本文提出的组播机制使加速器的分类延迟最高降低了86.7%,通信延迟最高降低了88.8%,而它的路由器面积和功耗仅占基准路由器的9.5%和10.3%.