虛擬樣機環(huán)境下的緊湊型回旋加速器物理設(shè)計.pdf

1、緊湊型回旋加速器由于具有靈活和經(jīng)濟特點，是核物理、固態(tài)物理等基礎(chǔ)研究的重要工具，同時，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。虛擬樣機作為一種新興的基于虛擬現(xiàn)實和數(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。將虛擬樣機技術(shù)引入到回旋加速器的設(shè)計中，有助于產(chǎn)生創(chuàng)新方案、降低工程風(fēng)險。本文研究了在虛擬樣機的集成環(huán)境下，以加速器束流動力學(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，并以實驗驗證了虛擬樣機數(shù)值模擬方法的有效性。
　　 作為全文的理論基礎(chǔ)，本文首先對回旋加速器束流動力學(xué)作了回顧，包括粒子的橫向運動與縱向加速運動及其穩(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算。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于對電磁場中粒子運動方程進(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)束流動力學(xué)分析的算法，設(shè)計

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

4、計算與束流動力學(xué)分析的協(xié)同化作業(yè)進(jìn)行磁鐵設(shè)計與優(yōu)化的方法。
　　 軸向注入系統(tǒng)是提高注入效率和束流強度的關(guān)鍵，本文以一臺16 MeV回旋加速器為實例，開展了基于TRACE3D程序的軸向注入的光路設(shè)計，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腳本語言和混合編程方法的回旋加速器虛擬樣機集成環(huán)境方案，并進(jìn)行了實現(xiàn)。該方案能夠滿足虛擬樣機設(shè)計平臺中異構(gòu)性組件的集成需求，同時具有靈活和易于擴展的