Численное моделирование и комплекс программ оптимизации систем формирования низкоэнергетических пучков заряженных частиц

• Автор: Козынченко, Сергей Александрович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 124 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ.
ГЛАВА 1. ЗАДАЧА ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ ФОРМИРОВАНИЯ НЕРЕЛЯТИВИСТСКИХ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ.

1.1. Постановка задачи оптимизации

1.2. Методы поиска экстремума функционала качества

1.2.1. Метод усредненного градиента.

1.2.2. Метод БоксаУилсона

1.2.3. Метод оврагов

1.3. Методика оптимизации систем формирования.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

2.1. Учет кулоновского взаимодействия методом макрочастиц

2.2. Расчет внешних нолей.

2.2.1. Метод сеток
2.2.2. Метод МонтеКарло
ГЛАВА 3. ПРОБЛЕМА МИНИМИЗАЦИИ РОСТА ЭМИТТАНСА НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ НА ВЫХОДЕ СИСТЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ.
3.1. Аксиальносимметричный пучок.
3.1.1. Математическая модель
3.1.2. Минимизация роста эмиттанса протонного пучка.
3.2. Пучок произвольного поперечного сечения
3.2.1. Математическая модель.
3.2.2. Минимизация роста эмигтансп пучка ионов Н на выходе согласующей ионнооптической системы инжектора линейного ускорителя при двух управляющих параметрах
ГЛАВА 4. ПРОБЛЕМА СОГЛАСОВАНИЯ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ НА ВЫХОДЕ СИСТЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ С АКСЕПТАНСОМ ПОСЛЕДУЮЩЕЙ УСКОРЯЮЩЕФОКУСИРУТОЩЕЙ СТРУКТУРЫ
4.1. Математическая модель.
4.2. Согласование пучка ионов Н на выходе оптического канала системы инжекции с аксептансом линейного ускорителя
4.3. Сравнительный анализ характеристик согласующей системы инжектора ионов Я в линейный ускоритель, состоящей из круглых или эллиптических электродов.
4.4. Согласование пучка ионов Я на выходе оптического канала системы инжекции с аксептансом циклотрона ТШиМБ
4.5. Моделирование трехмерной динамики пучка ионов Я в системе инжекции циклотрона ТШиМБ при различных токах
ГЛАВА 5. КОМПЛЕКС ПРОГРАММ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ АНАЛИЗА, РАСЧЕТА И ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ ФОРМИРОВАНИЯ НЕРЕЛЯТИВИСТСКИХ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ.
5.1 Описание комплекса программ.
5.2 Тестирование подпрограмм, входящих в комплекс
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА ПРИЛОЖЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ


К настоящему времени в мире создан ряд компьютерных программ, предназначенных для расчета электромагнитных полей моделирования и оптимизации динамики лучков в различных ускоряющефокусирующих структурах, в основном в линейных ускорителях различных типов , , , , , , , , , , , , , . Ряд из них разработан для параллельныхвекторных компьютеров. РАЯМЕЬА программа, предназначенная для моделирования динамики пучков в линейных ускорителях и каналах транспортировки с учетом обьемного заряда. Данная программа не предназначена для проектирования ускоряющефокусирующих систем. ЬЮКЬШАС программа, предназначенная для моделирования динамики пучков в линейных ускорителях методом частиц в ячейке. Она разработана на языке РОЯТКАИ для персональных или параллельныхвекторных компьютеров. Внешние электромагнитные поля расчитываются с помощью других программ. Ii пакет программ, предназначенный для проектирования ускоряющефокусирующих структур с ПОКФ и моделирования в них динамики пучка с учетом пространственного заряда методом частиц в ячейке. I программа моделирования трехмерной динамики пучка с учетом объемного заряда в линейных ускорителях, состоящих из ускоряющефокусиругащих элементов различных типов. Данная программа не предназначена для проектирования ускоряющефокусирующих структур и позволяет моделировать динамику пучка, состоящего из частиц различных типов. Внешние электромагнитные поля рассчитывается с помощью других программ или аппроксимируется рядами. При описании динамики пучка в электромагнитном поле используются уравнения движения общего вида. Определение кулоновского поля пучка осуществляется следующим образом. I, I3 и др. Представленный в диссертации комплекс программ предназначен для численного решения нелинейных трехмерных задач расчета и оптимизации систем формирования нерелятивистских пучков заряженных частиц. Он позволяет проводить оптимизацию динамики пучка в том числе и в автоматическом режиме за счет выбора физических конструктивных параметров ускоряющсфокусирующей системы. При этом для определения внешнего поля па каждом шаге оптимизации в реальной исследуемой области решается краевая задача для уравнения Лапласа, что является важным преимуществом по сравнению с рассмотренными выше программами. Оптимизация динамики пучка и ускоряющефокусирующей системы осуществляется с помощью методов нелинейного программирования по методике, предложенной в настоящей работе. В ряде рассмотренных программ используются упрощенные уравнения движения заряженных частиц. Практическое значение диссертационной работы заключается в том, что разработанная методика оптимизации позволяет выбрать геометрические параметры системы формирования, а также необходимые электростатические поля, обспечивающие требуемые характеристики пучка. Первая глава носит вводнопостановочный характер. Рассматривается постановка задачи оптимизации для систем формирования. Приводятся методы усредненного градиента, БоксаУилсона и оврагов поиска экстремума функционала качества. Также рассматривается методика оптимизации динамики пучка за счет выбора физических конструктивных параметров ускоряющефокусирующей структуры, включающая в себя выбор моделей динамики, функционалов, управляющих параметров, учет ограничений и т. В процессе решения прикладных задач оптимизации возникает задача многократного расчета динамики пучка с учетом объемного заряда. В этом случае применяются различные методы учета кулоновского взаимодействия, например метод крупных частиц. Вторая глава посвящена учету кулоновского взаимодействия методом крупных частиц , , , , , , , , а также решению задачи Дирихле для уравнения Лапласа. Рассматривается модель макрочастиц , заключающаяся в следующем. Пучок представляется ансамблем из равномерно заряженных шаров радиуса , массы и заряда каждый, а полный заряд пучка Огеа1 вычисляется как сумма зарядов всех шаров. Приводятся уравнения движения макрочастиц. Гу расстояние между центрами го и го шаров. В модели макрочастицшаров выполняется условие равенства зарядов и масс пучка заряженных частиц и ансамбля модельных частиц, однако не имеет место равенство их электростатических потенциальных энергий и 1У.