文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
虚拟样机环境下的紧凑型回旋加速器物理设计
姓名:秦斌
申请学位级别:博士
专业:控制理论与控制工程
指导教师:樊明武
20070608
华中科技大学博士学位论文
摘要

紧凑型回旋加速器由于具有灵活和经济特点,是核物理、固态物理等基础研究
的重要工具,同时,广泛应用于 PET(Positron Emission Tomography)诊断、质子治疗、
同位素生产和工业辐照等应用领域。虚拟样机作为一种新兴的基于虚拟现实和数值
仿真的数字化技术,目前在复杂制造领域得到了应用。将虚拟样机技术引入到回旋
加速器的设计中,有助于产生创新方案、降低工程风险。本文研究了在虚拟样机的
集成环境下,以加速器束流动力学为工具,所开展的紧凑型回旋加速器主磁铁和轴
向注入系统中相关部件的物理设计,并以实验验证了虚拟样机数值模拟方法的有效
性。
作为全文的理论基础,本文首先对回旋加速器束流动力学作了回顾,包括粒子
的横向运动与纵向加速运动及其稳定性,着重讨论了基于数值方法的回旋加速器平
衡轨道、粒子滑相和横向自由振荡频率的分析与计算。在此基础上,提出了一种基
于对电磁场中粒子运动方程进行数值积分,以跟踪单粒子或束流相空间内多粒子轨
迹并进行相关束流动力学分析的算法,设计并实现了了采用该算法的 PTP(Particle
Tracking Package)程序内核与人机界面,并将该程序的计算结果同 TRIUMF 实验室
的 CYCLOP 程序作了比对。PTP 作为一个分析工具,在论文中加速器各部件的设
计中均有应用。
主磁铁是紧凑型回旋加速器中造价最高的部件,对设计要求极严,要求满足粒
子加速的等时性和横向聚焦条件,避免危险的共振线穿越。论文讨论了主磁铁设计
上的主要考虑因素,研究了在集成环境下,利用有限元磁场计算与束流动力学分析
的协同化作业进行磁铁设计与优化的方法。
轴向注入系统是提高注入效率和束流强度的关键,本文以一台 16 MeV 回旋加
速器为实例,开展了基于 TRACE3D 程序的轴向注入的光路设计,并研究了螺旋偏
转板解析与数值分析方法。
本文提出了一种基于 Python 脚本语言和混合编程方法的回旋加速器虚拟样机
集成环境方案,并进行了实现。该方案能够满足虚拟样机设计平台中异构性组件的
集成需求,同时具有灵活和易于扩展的特性。
物理样机上的实验及数据比对是验证虚拟样机有效性的重要手段。在论文的最
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后部分,介绍了作者参予的两项实验研究:其一为日本京都大学研究用反应堆实验
室 FFAG(Fixed Field Alternating Gradient)注入环的束流测量实验;其二为中国原子
能科学院 CYCIAE100 回旋加速器中心区实验平台主磁铁测量实验。这两项实验的
结果分别验证了束流动力学和磁铁有限元分析在数值模拟上的预测能力和准确性。

关键词:紧凑型回旋加速器; 束流动力学; 磁铁设计; 虚拟样机; Python 语言

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Abstract
pact cyclotron is a very flexible and economical accelerator, which is not
only an important tool for fundamental science such as nuclear and solid-state physics
research, but also widely employed in PET (Positron Emission Tomography) system,
proton therapy, isotopes production and industrial radiation. We applied VP (Virtual
Prototyping) technique in the design and development processes pact cyclotrons,
which conduces to generating innovational schemes and reducing risks. With the guide of
beam dynamics theory, this thesis describes the design study for the main , the
axial injection system and some ponents of cyclotron