LIA强流束聚焦过程数值模拟与透镜设计

论文题目: LIA强流束聚焦过程数值模拟与透镜设计

论文类型: 博士论文

论文专业: 核技术及应用

作者: 谢宇彤

导师: 章林文

关键词: 轨迹方程,非层流无碰撞模型,焦斑尺寸,透镜结构优化

文献来源: 中国工程物理研究院

发表年度: 2005

论文摘要: 论文研究磁透镜在LIA中聚焦强流相对论电子束。在轴对称系统中,基于同时考虑束流空间电荷效应和透镜磁场非线性作用的三阶精度束流轨迹方程,建立非层流无碰撞数值模拟模型,分析了束流在聚焦磁场中的运动轨迹,并且从束流剖面电流强度分布获得X光焦斑尺寸。利用ANSYS软件计算了透镜磁场分布,并且以获得小的X光焦斑尺寸为目标对透镜结构进行了优化设计。非层流无碰撞数值模拟模型可以同时考虑束流的能散、发射度和Corkscrew运动幅度等影响X光焦斑尺寸的诸多因素。模型将束流沿径向均匀分为n层子束流,各子束流入射角度取随机均匀分布,以此模拟发射度在束流运动中的影响。轴向划分束流为有限个束片,并分别赋予不同的能量和Corkscrew运动幅度取值,模拟能散和Corkscrew运动。数值模拟实验表明,随子束流层数的增加焦斑尺寸计算结果是收敛的。当透镜峰值场强9500Gs,半高宽11.6cm,束流包络半径3cm,平行入射,X光焦斑直径计算值最终趋于1.03mm。焦斑直径计算值的最大不确定度为:±0.05mm,而焦距几乎不变化,其波动在0.08cm范围内。与实验结果比较,焦距计算值大于实验值,绝对误差在3.5cm范围内,而焦斑直径计算值小于实验值,绝对误差在0.4mm范围内。论文详细分析了束流各参数对最终焦斑尺寸的影响,其中就透镜入口处束流的包络半径和入射角度与焦斑尺寸的关系进行了大量计算,确定了选择这两个参数的最佳范围:透镜入口处束流包络半径取1.5-3cm,入射相位取-45°左右。并就此对聚焦漂移段提出相应的设计思路。论文通过计算确定了透镜结构尺寸,表明由于透镜包铁始终工作于其磁特性曲线的饱和区,包铁的磁导率与磁场分布几乎无关,而包铁的磁饱和强度B_s的提高有利与峰值场强的上升。透镜磁场的半高宽仅决定于透镜的结构与所加激励电流无关。激励电流的大小只对峰值场强起作用。从提高峰值场强和扩大半高宽两个方面对透镜磁场进行了优化。在同样的激励电流下,优化后的透镜聚焦效果明显改善。主要表现在两个方面:对相同束品质参数的束流,聚焦后的X光焦斑直径减小,相对实验透镜可以减小0.2mm左右;如果聚焦要求限制小于某一焦斑直径,优化后的透镜对束流品质的要求可以在一定范围内降低。

论文目录:

第一章绪言

1.1 直线感应加速器的发展和应用

1.1.1 直线感应加速器发展简史

1.2 直线感应加速器工作原理及闪光 X射线照相对其的要求

1.2.1 直线感应加速器工作原理

1.2.2 闪光X射线照相对LIA的要求

1.3 粒子束流聚焦方式

1.4 选题的研究意义

1.5 论文的主要研究内容

1.5.1 主要研究内容

1.5.2 论文的创新点

第二章影响焦斑尺寸的因素及研究现状

2.1 X光焦斑尺寸的定义和计算方法

2.2 影响LIA焦斑直径的因素

2.3 聚焦段研制中的束流动力学问题及研究现状

第三章无碰撞非层流束计算模型的建立

3.1 无碰撞非层流束模型概述

3.2 束流轨迹方程

3.3 模型中空间电荷力和透镜像差的模拟

3.3.1 旁轴方程的解

3.3.2 计算模型中空间电荷力的影响

3.3.3 计算模型中透镜像差的影响

3.3.4 同时考虑空间电荷效应和透镜像差系数及结果分析

3.4 小结

第四章束流参数在模型中的模拟和计算

4.1 模型中束流剖面面电流密度非均匀分布的处理

4.2 束流发射度在模型中的处理

4.3 束流能散和扭曲在模型中的模拟

4.4 实验结果与模拟计算的对比

4.5 SBDSL计算程序简介

4.6 小结

第五章磁场位形和束参数对焦斑尺寸的影响

5.1 束包络半径和初始入射相位对焦斑尺寸的影响

5.2 束流发射度、能散对焦斑尺寸的影响

5.3 小结

第六章聚焦磁场位形及透镜结构优化设计

6.1 透镜像差系数与其磁场位形的关系

6.1.1 透镜球差系数分析

6.1.2 透镜色差系数分析

6.2 利用ANSYS程序计算透镜磁场分布

6.3 透镜结构优化方向的确定

6.4 透镜结构尺寸的确定和优化

6.5 小结

第七章结论

参考文献

致谢

发布时间: 2005-10-21

LIA强流束聚焦过程数值模拟与透镜设计

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