虛擬樣機(jī)環(huán)境下的緊湊型回旋加速器物理設(shè)計(jì).pdf

1、緊湊型回旋加速器由于具有靈活和經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，是核物理、固態(tài)物理等基礎(chǔ)研究的重要工具，同時(shí)，廣泛應(yīng)用于PET(Positron Emission Tomography)診斷、質(zhì)子治療、同位素生產(chǎn)和工業(yè)輻照等應(yīng)用領(lǐng)域。虛擬樣機(jī)作為一種新興的基于虛擬現(xiàn)實(shí)和數(shù)值仿真的數(shù)字化技術(shù)，目前在復(fù)雜制造領(lǐng)域得到了應(yīng)用。將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入到回旋加速器的設(shè)計(jì)中，有助于產(chǎn)生創(chuàng)新方案、降低工程風(fēng)險(xiǎn)。本文研究了在虛擬樣機(jī)的集成環(huán)境下，以加速器束流動(dòng)力學(xué)為工具，所開展的

2、緊湊型回旋加速器主磁鐵和軸向注入系統(tǒng)中相關(guān)部件的物理設(shè)計(jì)，并以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了虛擬樣機(jī)數(shù)值模擬方法的有效性。
　　 作為全文的理論基礎(chǔ)，本文首先對(duì)回旋加速器束流動(dòng)力學(xué)作了回顧，包括粒子的橫向運(yùn)動(dòng)與縱向加速運(yùn)動(dòng)及其穩(wěn)定性，著重討論了基于數(shù)值方法的回旋加速器平衡軌道、粒子滑相和橫向自由振蕩頻率的分析與計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于對(duì)電磁場(chǎng)中粒子運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行數(shù)值積分，以跟蹤單粒子或束流相空間內(nèi)多粒子軌跡并進(jìn)行相關(guān)束流動(dòng)力學(xué)分析的算法，設(shè)計(jì)

3、并實(shí)現(xiàn)了了采用該算法的PTP(Particle Tracking Package)程序內(nèi)核與人機(jī)界面，并將該程序的計(jì)算結(jié)果同TRIUMF實(shí)驗(yàn)室的CYCLOP程序作了比對(duì)。PTP作為一個(gè)分析工具，在論文中加速器各部件的設(shè)計(jì)中均有應(yīng)用。
　　 主磁鐵是緊湊型回旋加速器中造價(jià)最高的部件，對(duì)設(shè)計(jì)要求極嚴(yán)，要求滿足粒子加速的等時(shí)性和橫向聚焦條件，避免危險(xiǎn)的共振線穿越。論文討論了主磁鐵設(shè)計(jì)上的主要考慮因素，研究了在集成環(huán)境下，利用有限元磁場(chǎng)

4、計(jì)算與束流動(dòng)力學(xué)分析的協(xié)同化作業(yè)進(jìn)行磁鐵設(shè)計(jì)與優(yōu)化的方法。
　　 軸向注入系統(tǒng)是提高注入效率和束流強(qiáng)度的關(guān)鍵，本文以一臺(tái)16 MeV回旋加速器為實(shí)例，開展了基于TRACE3D程序的軸向注入的光路設(shè)計(jì)，并研究了螺旋偏轉(zhuǎn)板解析與數(shù)值分析方法。
　　 本文提出了一種基于Python腳本語(yǔ)言和混合編程方法的回旋加速器虛擬樣機(jī)集成環(huán)境方案，并進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。該方案能夠滿足虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)中異構(gòu)性組件的集成需求，同時(shí)具有靈活和易于擴(kuò)展的