虛擬樣機環(huán)境下的緊湊型回旋加速器物理設計.pdf

1、緊湊型回旋加速器由于具有靈活和經濟特點，是核物理、固態(tài)物理等基礎研究的重要工具，同時，廣泛應用于PET(Positron Emission Tomography)診斷、質子治療、同位素生產和工業(yè)輻照等應用領域。虛擬樣機作為一種新興的基于虛擬現(xiàn)實和數值仿真的數字化技術，目前在復雜制造領域得到了應用。將虛擬樣機技術引入到回旋加速器的設計中，有助于產生創(chuàng)新方案、降低工程風險。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)中相關部件的物理設計，并以實驗驗證了虛擬樣機數值模擬方法的有效性。
　　 作為全文的理論基礎，本文首先對回旋加速器束流動力學作了回顧，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。在此基礎上，提出了一種基于對電磁場中粒子運動方程進行數值積分，以跟蹤單粒子或束流相空間內多粒子軌跡并進行相關束流動力學分析的算法，設計

3、并實現(xiàn)了了采用該算法的PTP(Particle Tracking Package)程序內核與人機界面，并將該程序的計算結果同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計中均有應用。
　　 主磁鐵是緊湊型回旋加速器中造價最高的部件，對設計要求極嚴，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、計算與束流動力學分析的協(xié)同化作業(yè)進行磁鐵設計與優(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計，并研究了螺旋偏轉板解析與數值分析方法。
　　 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，并進行了實現(xiàn)。該方案能夠滿足虛擬樣機設計平臺中異構性組件的集成需求，同時具有靈活和易于擴展的