质子束晕的动力学建模及控制方法研究

摘要

随着传统化石燃料的逐渐减少，世界各国对能源问题越来越重视，寻找一种更加清洁、高效的新型能源迫在眉睫，而裂变核能成为了人们关注的焦点之一。强流质子加速器对于裂变核能的获取显得尤为重要，它可以驱动原子核从而产生能量巨大的洁净核能，即强流加速器驱动的放射性洁净核能系统(ADS)。而强流质子束在加速器中传输时会产生质子束晕现象，表现为一些横向速度较大的粒子从束核内部逃逸出去，弥漫在束核周围，影响了加速器的使用。因此，对质子束晕进行有效的控制，设计出合适的加速器成为了人们所面临的主要困难，对质子束晕进行深入的研究具有十分重要的理论和现实意义。 本文以初始分布满足K-V分布的质子束为研究对象，采用粒子-束核模型，首先分析了质子束晕产生的五种物理机制，并对以往的束晕控制方法进行了总结概括。在此基础上，通过计算和分析周期聚焦磁场强度和表征束自生场强度的束导流系数的变化对强流质子束运动特征的影响，对强流质子束的非线性共振和质子束晕现象进行了系统研究，并运用MATLAB数值模拟的方法，清楚的展示了质子束晕的场强参数特性。 通过对已有控制方法的分析，本文提出了一种在实际工程中更易于实现、结构更加简单的控制方法，即sinc函数控制方法。基于粒子-束核模型，以束包络方程和单粒子运动方程为基础，采用庞加莱(Poincaré)截面技术，分别计算模拟了控制变量为均方根半径和粒子最大半径这两种情况下的控制效果。通过分析受控系统的晕度和动量平均值等品质参数，对两种方法进行了对比，结果证明以上两种方法均可达到控制束晕的目的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 强流质子加速器概述

1．2 课题研究背景及意义

1．3 国内外研究现状及发展趋势

1．4 本课题的主要研究内容及章节安排

第2章 质子束晕形成的物理机制及控制理论

2．1 束包络方程的归一化及相关物理概念

2．2 质子束晕产生的物理机制

2．2．1 粒子-束核相互作用

2．2．2 共振覆盖导致混沌

2．2．3 空间电荷的非线性效应

2．2．4 丝化效应

2．2．5 量子混沌

2．3 质子束晕的控制理论

2．3．1 非线性反馈控制理论

2．3．2 变结构控制法

2．3．3 延迟变量反馈控制法

2．3．4 自适应控制法

2．3．5 控制器控制效果的比较

2．4 质子束晕的复杂性特点

2．5 本章小结

第3章 质子束晕的参数特性及数值模拟

3．1 庞加莱(Poincaré)截面技术

3．2 粒子-束核模型

3．3 质子束晕场强参数特性

3．3．1 束自生场对强流束运动的影响

3．3．2 聚焦磁场对强流束运动的影响

3．4 本章小结

第4章 质子束晕的控制及数值模拟

4．1 sinc函数控制的基本理论

4．2 质子束晕的标度物理量分析

4．3 以均方根半径为反馈变量的sinc函数控制

4．3．1 控制器参数A的选取

4．3．2 模拟结果及其分析

4．4 以粒子最大半径为反馈变量的sinc函数控制

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢