CN113158420B - 一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法及系统 - Google Patents
一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113158420B CN113158420B CN202110234179.7A CN202110234179A CN113158420B CN 113158420 B CN113158420 B CN 113158420B CN 202110234179 A CN202110234179 A CN 202110234179A CN 113158420 B CN113158420 B CN 113158420B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- capillary
- degradation
- proton
- determining
- model
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims abstract description 86
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 claims abstract description 85
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 17
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims description 12
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 7
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 7
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 7
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims description 6
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 33
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000004093 laser heating Methods 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005591 charge neutralization Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000005658 nuclear physics Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000008685 targeting Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/30—Circuit design
- G06F30/36—Circuit design at the analogue level
- G06F30/367—Design verification, e.g. using simulation, simulation program with integrated circuit emphasis [SPICE], direct methods or relaxation methods
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
- G06F2111/10—Numerical modelling
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
本发明涉及一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法及系统。该方法包括：获取电离毛细管的工作参数，所述工作参数包括等离子体密度、等离子体电子温度、充气压强和放电电压；根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型；获取电离毛细管的退化约束条件；根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型；根据所述规划问题退化模型，确定电离毛细管的孔径、长度和放电电流。本发明能够确定毛细管的最佳参数，提高毛细管作为传输介质的传输性能。
Description
技术领域
本发明涉及电离毛细管的参数确定领域，特别是涉及一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法及系统。
背景技术
带电粒子加速器是高能物理和核物理等研究领域，以及材料、生物和医疗等应用领域的重要工具。庞大的体积、昂贵的建造维护费用成为了目前加速器在许多应用领域发展的主要瓶颈，急切需要技术的革新。
激光加速器利用超强激光与等离子体相互作用，在厘米甚至微米尺度上就可以将电子或离子加速到相对论能量。截至目前，激光加速已经成功获得能量4.2GeV的准单能电子束和最高能量为93MeV的质子束以及0.5GeV的碳离子束。这种超小型加速器，特别是离子加速器，在癌症治疗、空间辐射环境模拟、聚变科学等领域都具有重要的应用价值。
等离子体透镜具有中和空间电荷、径向对称聚焦、高强电磁场承载能力强、聚焦力强等优点，在聚焦高能加速器离子领域具有极高的应用价值。但通常等离子体透镜寿命短，需要庞大的外载设备，难以克服等离子体不稳定性，这些缺点制约了其进一步发展，也不利于加速器的小型化。
电离毛细管作为一种新型的等离子体透镜，克服了传统等离子体透镜体积庞大、不稳定等缺点，已经成功用于激光加速电子束聚焦。但电离毛细管的孔径小，难以应用到传统束流。激光加速的束流束斑特别小，能够采用电离毛细管作为等离子体透镜。与真空传输不同，等离子体透镜以全电离等离子体作为传输介质，束流与介质的相互作用不可避免，而质子和电子与等离子体的相互作用过程有很大的差异，不能将适用于聚焦电子束的透镜直接用于聚焦质子束，根据质子参数重新设计透镜，只有在质子聚焦用毛细管最佳参数的条件下，才能最高质量的传输质子，而现有技术中并不存在质子聚焦用毛细管最佳参数的确定方法及系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法及系统，能够确定毛细管的最佳参数，提高毛细管作为传输介质的传输性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法，包括：
获取电离毛细管的工作参数，所述工作参数包括充气气压、气体种类、室温、安放距离、质子中心能量、可接受的能量损失率和放电回路等效电感；
根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型；
获取电离毛细管的退化约束条件；
根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型；
根据所述规划问题退化模型，确定电离毛细管的孔径、长度和放电电流。
可选地，所述根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型，具体包括：
根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型：
其中，V为充电电压，p＝n0kbT0，n0为等离子体的密度，p为充气压强，kb为玻尔兹曼常量，T0为室温，a和b均为实验规律确定的参数，L为毛细管的长度，u为气体流速，由Poiseuille方程u＝r2Δp/(2μL)求出，ρ＝n0mμ是气体密度，μ为粘度，Δp为压差，真空中Δp＝p，r为毛细管的孔径，mμ为气体分子质量，ND为德拜球中的电子数，是德拜长度，Zp为入射离子有效电荷数，对于质子Zp＝1，vp＝(2E/m0)1/2，vp为质子速度，vth＝(3kbTe/me)1/2，vth为电子热速度，ωce＝eB/me，ωce为电子回旋频率，ωpe＝[n0e2/(ε0me)]1/2，ωpe为等离子体频率，E为质子能量，me为电子质量，m0为质子质量，e为元电荷，ε0为真空介电常数，B为磁感应强度，v为可接受的能量损失率，为弛豫时间，Λ＝3ND，Imax为峰值电流，I为毛细管聚焦质子所需的放电电流，K为透镜的传输函数，/> 为磁场梯度，μ0为真空磁导率，/> 为毛细管内等离子体的电子温度，Tu实验规律确定的参数，μ0为真空磁导率，ω为放电电路的振荡特征频率，dz为质子传输方向的坐标微分。
可选地，所述获取电离毛细管的退化约束条件，具体包括：
获取电离毛细管的退化约束条件：MeV质子在1015～1021cm-3密度范围内的能损不足1％/m，/>
可选地，所述根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型，具体包括：
根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型：
可选地，根据所述规划问题退化模型采用公式确定电离毛细管的孔径、长度和放电电流；
其中，Ls为等效电感，C为储能电容。
一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定系统，包括：
工作参数获取模块，用于获取电离毛细管的工作参数，所述工作参数包括充气气压、气体种类、室温、安放距离、质子中心能量、可接受的能量损失率和放电回路等效电感；
多参数非线性规划描述模型建立模块，用于根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型；
退化约束条件建立模块，用于获取电离毛细管的退化约束条件；
规划问题退化模型确定模块，用于根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型；
电离毛细管参数确定模块，用于根据所述规划问题退化模型，确定电离毛细管的孔径、长度和放电电流。
可选地，所述多参数非线性规划描述模型建立模块，具体包括：
多参数非线性规划描述模型建立单元，用于根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型：
其中，V为充电电压，p＝n0kbT0，n0为等离子体的密度，p为充气压强，kb为玻尔兹曼常量，T0为室温，a和b均为实验规律确定的参数，L为毛细管的长度，u为气体流速，由Poiseuille方程u＝r2Δp/(2μL)求出，ρ＝n0mμ是气体密度，μ为粘度，Δp为压差，真空中Δp＝p，r为毛细管的孔径，mμ为气体分子质量，ND为德拜球中的电子数，/>是德拜长度，Zp为入射离子有效电荷数，对于质子Zp＝1，vp＝(2E/m0)1/2，vp为质子速度，vth＝(3kbTe/me)1/2，vth为电子热速度，ωce＝eB/me，ωce为电子回旋频率，ωpe＝[n0e2/(ε0me)]1/2，ωpe为等离子体频率，E为质子能量，me为电子质量，m0为质子质量，e为元电荷，ε0为真空介电常数，B为磁感应强度，v为可接受的能量损失率，/>为弛豫时间，Λ＝3ND，Imax为峰值电流，I为毛细管聚焦质子所需的放电电流，K为透镜的传输函数，/> 为磁场梯度，μ0为真空磁导率，/> 为毛细管内等离子体的电子温度，Tu实验规律确定的参数，μ0为真空磁导率，ω为放电电路的振荡特征频率，dz为质子传输方向的坐标微分。
可选地，所述退化约束条件获取模块，具体包括：
退化约束条件获取单元，用于获取电离毛细管的退化约束条件： MeV质子在1015～1021cm-3密度范围内的能损不足1％/m，
可选地，所述规划问题退化模型确定模块，具体包括：
规划问题退化模型确定单元，用于根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型：
可选地，所述电离毛细管参数确定模块，具体包括：
电离毛细管参数确定单元，用于根据所述规划问题退化模型采用公式确定电离毛细管的孔径、长度和放电电流；
其中，Ls为等效电感，C为储能电容。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明涉及一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法及系统。该方法包括：获取电离毛细管的工作参数，所述工作参数包括等离子体密度、等离子体电子温度、充气压强和放电电压；根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型；获取电离毛细管的退化约束条件；根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型；根据所述规划问题退化模型，确定电离毛细管的孔径、长度和放电电流。本发明能够确定毛细管的最佳参数，提高毛细管作为传输介质的传输性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法流程图；
图2为本发明质子聚焦用毛细管最佳参数确定系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法及系统，能够确定毛细管的最佳参数，提高毛细管作为传输介质的传输性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
在设计参数的解决方案中，将限制条件归纳为多参数非线性规划问题。非线性规划是一种求解目标函数或退化约束条件中有一个或几个非线性函数的最优化问题的方法。这一方法在工业、交通运输、经济管理和军事等方面有广泛的应用，特别是在“最优设计”方面，它提供了数学基础和计算方法，因此有重要的实用价值。采用内点法求解非线性规划问题，多种商业化软件均具备内点算法。
图1为本发明质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法流程图。如图1所示，一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法包括：
步骤101：获取电离毛细管的工作参数，所述工作参数包括充气气压、气体种类、室温、安放距离、质子中心能量、可接受的能量损失率和放电回路等效电感。
步骤102：根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型，具体包括：
根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型：
其中，V为充电电压，p＝n0kbt0，n0为等离子体的密度(最外层电子电离，近似等于气体密度)，p为充气压强，kb为玻尔兹曼常量，T0为室温，a和b均为实验规律确定的参数，L为毛细管的长度，u为气体流速，由Poiseuille方程u＝r2Δp/(2μL)求出，ρ＝n0mμ是气体密度，μ为粘度，Δp为压差，真空中Δp＝p，r为毛细管的孔径，mμ为气体分子质量，ND为德拜球中的电子数，/>是德拜长度，Zp为入射离子有效电荷数(质子为1)，vp＝(2E/m0)1/2，vp为质子速度，vth＝(3kbTe/me)1/2，vth为电子热速度，ωce＝eB/me，ωce为电子回旋频率，ωpe＝[n0e2/(ε0me)]1/2，ωpe为等离子体频率，E为质子能量，me为电子质量，m0为质子质量，e为元电荷，ε0为真空介电常数，B为磁感应强度，ν为可接受的能量损失率，/> 为弛豫时间，Λ＝3ND，Imax为峰值电流，I为毛细管聚焦质子所需的放电电流，K为透镜的传输函数，/>为磁场梯度，μ0为真空磁导率，/>为毛细管内等离子体的电子温度，Tu实验规律确定的参数，μ0为真空磁导率，ω为放电电路的振荡特征频率，dz为质子传输方向的坐标微分。
首先，可以确定的是毛细管在低压弧光放电区工作，气体全电离，等离子体的离子作用均可以不予考虑。等离子体的密度n0将直接取决于气体密度，毛细管气体稳定的过程为等压过程，即
p＝n0kbT0
实际的等压区域压强会因为管壁的非理想化而略小于充气压强p，这个误差可以忽略。kb为玻尔兹曼常量，T0为室温。若p＝100ttrr，n0在1018cm-3量级。
管通道内气体要实现电离，两端电极的起始放电电压V必须大于该段气体的击穿电压，根据Paschen定律，可得：
其中，a和b均为实验规律确定的参数，与使用气体种类相关。
为保证电离后的等离子体密度分布稳定，充气气流必须要稳定。毛细管是气路开放性的结构，稳定性要求不期望产生湍流，这意味着雷诺数：
其中，u是气体流速，可由Poiseuille方程u＝r2Δp/(2μL)求出，ρ＝n0mμ是气体密度，μ是粘度，Δp为压差，真空中使用Δp＝p，mμ为气体分子质量。
入射质子束将部分能量转移到完全电离的等离子体中的电子和离子上，这部分能量损失要比在固体中传输的能量损失大得多。控制能损不能过大，确保三个工作条件：
质子-等离子体弱耦合：
高能质子：
vp＞＞vth
非磁化等离子体：
ωce＜＜ωpe
其中，是德拜球中的电子数，/>是德拜长度，Zp是有效电荷数，对质子Zp＝1，vp＝(2E/m0)1/2是质子速度，vth＝(3kbTe/me)1/2是电子热速度，ωce＝eB/me是电子回旋频率，ωpe＝[n0e2/(ε0me)]1/2是等离子体频率，E是质子能量，me是电子质量，m0是质子质量，e是元电荷，ε0是真空介电常数，B是磁感应强度。
满足上述条件的质子-等离子体能量阻止本领可描述为：
其中，是Chandrasekar函数，x＝vp/vth，/>是Bloch修正项。若可接受的能量损失率为ν，那么能量损失应满足：
束流与管道内等离子体的多重库伦碰撞散射可能导致散角和发射度增长，这是束流传输过程中不希望发生的。通过公式可以评估质子在等离子体中库伦碰撞的弛豫时间：
其中，Λ＝3ND。该时间应该大于质子在等离子体通道内的漂移时间，以确保不发生明显的散射效应：
等离子体放电过程中会产生Z-Pinch效应，Z-Pinch效应是指电流会受到自身磁场的作用而产生磁压，它会减小等离子体通道半径并引入等离子体不稳定性，从而导致收集效率和束流质量严重下降，因此应极力避免Z-Pinch效应的发生。如果等离子体热压pT大于磁压pB，则Z-Pinch效应很难发展起来。这意味着：
模拟工作证明，毛细管内等离子体的电子温度满足关系：
其中，Tu为实验规律确定的参数，与使用气体种类相关。
步骤103：获取电离毛细管的退化约束条件，具体包括：
获取电离毛细管的退化约束条件：MeV质子在1015～1021cm-3密度范围内的能损不足1％/m，/>高效求解上述问题的关键在于确定求解域，简化约束，进而快速锁定求解初值的选择并获得正确的规划结果。
根据电离毛细管聚焦质子束的实际应用场景，可做几点预期评估。长度较大的毛细管内气体全电离是难以实现的，需要额外的激光加热，目前能达到条件的毛细管最长达20cm，不采取激光加热的手段，其长度不超过10cm。毛细管在真空中使用，充气压强的控制很关键，若压强过小，管道内的稳定气体将不能维持，压强过大，真空环境将会被破坏，这限制等离子体密度在1015～1021cm-3范围。同时，对于各种气体，避免湍流发展的孔径不大于1cm。高功率激光器打靶的可用加速质子束能量在MeV以上，穿过毛细管的时间不足5ns。欧姆加热并不是等离子体加热的有效手段，电离毛细管内等离子体温度在5eV左右。
将电离毛细管的设计和放电电路拆解，先评估毛细管需求，再设计满足需求的电路。根据上述评估，毛细管的几个退化约束条件是自然满足的： MeV质子在1015～1021cm-3密度范围内的能损不足1％/m，/>是可以忽略的。
将电离毛细管的设计和放电电路拆解，先评估毛细管需求，再设计满足需求的电路。
步骤104：根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型，具体包括：
根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型：根据上述规划问题退化模型可求得规划结果θn，及最优条件Ln,rn,In。
步骤105：根据所述规划问题退化模型，确定电离毛细管的孔径、长度和放电电流，具体包括：
根据所述规划问题退化模型采用公式确定电离毛细管的孔径、长度和放电电流；
其中，Ls为等效电感，C为储能电容，上述公式表示求解结果为rn，Ln，In。
图2为本发明质子聚焦用毛细管最佳参数确定系统结构图。如图2所示，一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定系统包括：
工作参数获取模块201，用于获取电离毛细管的工作参数，所述工作参数包括充气气压、气体种类、室温、安放距离、质子中心能量、可接受的能量损失率和放电回路等效电感。
多参数非线性规划描述模型建立模块202，用于根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型。
退化约束条件获取模块203，用于获取电离毛细管的退化约束条件。
规划问题退化模型确定模块204，用于根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型。
电离毛细管参数确定模块205，用于根据所述规划问题退化模型，确定电离毛细管的孔径、长度和放电电流。
所述多参数非线性规划描述模型建立模块202，具体包括：
多参数非线性规划描述模型建立单元，用于根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型：
其中，V为充电电压，p＝n0kbT0，n0为等离子体的密度(最外层电子电离，近似等于气体密度)，p为充气压强，kb为玻尔兹曼常量，T0为室温，a和b均为实验规律确定的参数，L为毛细管的长度，u为气体流速，由Poiseuille方程u＝r2Δp/(2μL)求出，ρ＝n0mμ是气体密度，μ为粘度，Δp为压差，真空中Δp＝p，r为毛细管的孔径，mμ为气体分子质量，ND为德拜球中的电子数，/>是德拜长度，Zp为入射离子有效电荷数(质子为1)，vp＝(2E/m0)1/2，vp为质子速度，vth＝(3kbTe/me)1/2，vth为电子热速度，ωce＝eB/me，ωce为电子回旋频率，ωpe＝[n0e2/(ε0me)]1/2，ωpe为等离子体频率，E为质子能量，me为电子质量，m0为质子质量，e为元电荷，ε0为真空介电常数，B为磁感应强度，v为可接受的能量损失率，/> 为弛豫时间，Λ＝3ND，Imax为峰值电流，I为毛细管聚焦质子所需的放电电流，K为透镜的传输函数，/>为磁场梯度，μ0为真空磁导率，/>为毛细管内等离子体的电子温度，Tu实验规律确定的参数，μ0为真空磁导率，ω为放电电路的振荡特征频率，dz为质子传输方向的坐标微分。
所述退化约束条件获取模块203，具体包括：
退化约束条件获取单元，用于获取电离毛细管的退化约束条件： MeV质子在1015～1021cm-3密度范围内的能损不足1％/m，
所述规划问题退化模型确定模块204，具体包括：
规划问题退化模型确定单元，用于根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型：
所述电离毛细管参数确定模块205，具体包括：
电离毛细管参数确定单元，用于根据所述规划问题退化模型采用公式确定电离毛细管的孔径、长度和放电电流；
其中，Ls为等效电感，C为储能电容。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (2)
1.一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法，其特征在于，包括：
获取电离毛细管的工作参数，所述工作参数包括充气气压、气体种类、室温、安放距离、质子中心能量、可接受的能量损失率和放电回路等效电感；
根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型；
获取电离毛细管的退化约束条件；
根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型；
根据所述规划问题退化模型，确定电离毛细管的孔径、长度和放电电流；
根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型，具体包括：
根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型：
其中，V为充电电压，p＝n0kbT0，n0为等离子体的密度，p为充气压强，kb为玻尔兹曼常量，T0为室温，a和b均为实验规律确定的参数，L为毛细管的长度，u为气体流速，由Poiseuille方程u＝r2Δp/(2μL)求出，ρ＝n0mμ是气体密度，μ为粘度，Δp为压差，真空中Δp＝p，r为毛细管的孔径，mμ为气体分子质量，ND为德拜球中的电子数，/>是德拜长度，Zp为入射离子有效电荷数，vp＝(2E/m0)1/2，vp为质子速度，vth＝3kbTe/me)1/2，vth为电子热速度，ωce＝eB/me，ωce为电子回旋频率，ωpe＝[n0e2/(ε0me)]1/2，ωpe为等离子体频率，E为质子能量，me为电子质量，m0为质子质量，e为元电荷，ε0为真空介电常数，B为磁感应强度，v为可接受的能量损失率，/>为弛豫时间，Λ＝3ND，Imax为峰值电流，I为毛细管聚焦质子所需的放电电流，K为透镜的传输函数，/> 为磁场梯度，μ0为真空磁导率，/>为毛细管内等离子体的电子温度，Tu实验规律确定的参数，μ0为真空磁导率，ω为放电电路的振荡特征频率，dz为质子传输方向的坐标微分；
所述获取电离毛细管的退化约束条件，具体包括：
获取电离毛细管的退化约束条件：vp＞＞vth,ωce＜＜ωpe,/>MeV质子在1015～1021cm-3密度范围内的能损不足1％/m，/>
根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型，具体包括：
根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型：
根据所述规划问题退化模型，确定电离毛细管的孔径、长度和放电电流，具体包括：
根据所述规划问题退化模型采用公式确定电离毛细管的孔径、长度和放电电流；
其中，Ls为等效电感，C为储能电容。
2.一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定系统，其特征在于，包括：
工作参数获取模块，用于获取电离毛细管的工作参数，所述工作参数包括充气气压、气体种类、室温、安放距离、质子中心能量、可接受的能量损失率和放电回路等效电感；
多参数非线性规划描述模型建立模块，用于根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型；
退化约束条件获取模块，用于获取电离毛细管的退化约束条件；
规划问题退化模型确定模块，用于根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型；
电离毛细管参数确定模块，用于根据所述规划问题退化模型，确定电离毛细管的孔径、长度和放电电流；
所述多参数非线性规划描述模型建立模块，具体包括：
多参数非线性规划描述模型建立单元，用于根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型：
其中，V为充电电压，p＝n0kbT0，n0为等离子体的密度，p为充气压强，kb为玻尔兹曼常量，T0为室温，a和b均为实验规律确定的参数，L为毛细管的长度，u为气体流速，由Poiseuille方程u＝r2Δp/(2μL)求出，ρ＝n0mμ是气体密度，μ为粘度，Δp为压差，真空中Δp＝p，r为毛细管的孔径，mμ为气体分子质量，ND为德拜球中的电子数，/>是德拜长度，Zp为入射离子有效电荷数，vp＝(2E/m0)1/2，vp为质子速度，vth＝(3kbTe/me)1/2，vth为电子热速度，ωce＝eB/me，ωce为电子回旋频率，ωpe＝[n0e2/(ε0me)]1/2，ωpe为等离子体频率，E为质子能量，me为电子质量，m0为质子质量，e为元电荷，ε0为真空介电常数，B为磁感应强度，ν为可接受的能量损失率，/>为弛豫时间，Λ＝3ND，Imax为峰值电流，I为毛细管聚焦质子所需的放电电流，K为透镜的传输函数，/> 为磁场梯度，μ0为真空磁导率，/>为毛细管内等离子体的电子温度，Tu实验规律确定的参数，μ0为真空磁导率，ω为放电电路的振荡特征频率，dz为质子传输方向的坐标微分；
所述退化约束条件获取模块，具体包括：
退化约束条件获取单元，用于获取电离毛细管的退化约束条件： vp＞＞vth,ωce＜＜ωpe,/>MeV质子在1015～1021cm-3密度范围内的能损不足1％/m，/>
所述规划问题退化模型确定模块，具体包括：
规划问题退化模型确定单元，用于根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型：
所述电离毛细管参数确定模块，具体包括：
电离毛细管参数确定单元，用于根据所述规划问题退化模型采用公式确定电离毛细管的孔径、长度和放电电流；
其中，Ls为等效电感，C为储能电容。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110234179.7A CN113158420B (zh) | 2021-03-03 | 2021-03-03 | 一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110234179.7A CN113158420B (zh) | 2021-03-03 | 2021-03-03 | 一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法及系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113158420A CN113158420A (zh) | 2021-07-23 |
| CN113158420B true CN113158420B (zh) | 2024-04-30 |
Family
ID=76883905
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110234179.7A Active CN113158420B (zh) | 2021-03-03 | 2021-03-03 | 一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113158420B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107091210A (zh) * | 2017-05-18 | 2017-08-25 | 西安交通大学 | 一种基于毛细管放电的脉冲等离子体推力器 |
| CN108693496A (zh) * | 2018-05-07 | 2018-10-23 | 国网山东省电力公司电力科学研究院 | 一种基于参量退化方程的智能电能表误差预估方法 |
| CN111967168A (zh) * | 2020-10-20 | 2020-11-20 | 北京航空航天大学 | 一种加速退化试验方案优化设计方法 |
| CN112100832A (zh) * | 2020-09-03 | 2020-12-18 | 浙大城市学院 | 一种锂电池非线性退化模型的构建及工作方法 |
| CN112231988A (zh) * | 2020-12-14 | 2021-01-15 | 中国人民解放军海军工程大学 | Ipt系统抗偏移参数优化方法、系统及计算机设备 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7729403B2 (en) * | 2006-05-19 | 2010-06-01 | Colorado State University Research Foundation | High-order harmonic generation in a capillary discharge |
| US20140131594A1 (en) * | 2011-06-18 | 2014-05-15 | The Regents Of The University Of California | Method for generating electron beams in a hybrid laser-plasma accelerator |
-
2021
- 2021-03-03 CN CN202110234179.7A patent/CN113158420B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107091210A (zh) * | 2017-05-18 | 2017-08-25 | 西安交通大学 | 一种基于毛细管放电的脉冲等离子体推力器 |
| CN108693496A (zh) * | 2018-05-07 | 2018-10-23 | 国网山东省电力公司电力科学研究院 | 一种基于参量退化方程的智能电能表误差预估方法 |
| CN112100832A (zh) * | 2020-09-03 | 2020-12-18 | 浙大城市学院 | 一种锂电池非线性退化模型的构建及工作方法 |
| CN111967168A (zh) * | 2020-10-20 | 2020-11-20 | 北京航空航天大学 | 一种加速退化试验方案优化设计方法 |
| CN112231988A (zh) * | 2020-12-14 | 2021-01-15 | 中国人民解放军海军工程大学 | Ipt系统抗偏移参数优化方法、系统及计算机设备 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 质子辐照导致科学级电荷耦合器件电离效应和位移效应分析;文林;李豫东;郭旗;任迪远;汪波;玛丽娅;;物理学报;20150123(第02期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113158420A (zh) | 2021-07-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8508158B2 (en) | High-current dc proton accelerator | |
| Sherman et al. | A 75 keV, 140 mA proton injector | |
| Kamigaito et al. | Construction of a booster linac for the RIKEN heavy-ion linac | |
| CN113158420B (zh) | 一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法及系统 | |
| Manwani et al. | Asymmetric beam driven plasma wakefields at the AWA | |
| Vay et al. | Charge compensated ion beam propagation in a reactor sized chamber | |
| Davydenko et al. | Optimization of an ion-optics system with “thick” electrodes for the diagnostic neutral beam injector of the TEXTOR tokamak | |
| Zhang et al. | Simulations of the self-focused pseudospark-sourced electron beam in a background ion channel | |
| Dubniuk et al. | Radiation complex on the basis of helium ions linac | |
| Astrelin et al. | Numerical Modeling of Electron Beams in a Source with a Plasma Cathode and Their Transport in a Magnetic Field | |
| Fujii et al. | Positron beam extraction from an electron-beam-driven plasma wakefield accelerator | |
| Denisov et al. | Design of a compact electron gun for the high-voltage electron cooling system of the NICA collider | |
| Wu et al. | Linearization of an electron beam’s longitudinal phase space using a hollow-channel plasma | |
| Xu et al. | Design and testing of an internal hot-cathode-type PIG ion source for superconducting cyclotron | |
| Ariniello | Emittance preservation in a plasma wakefield accelerator | |
| Toufexis et al. | A Compact Thermionic RF Injector with RF Bunch Compression fed by a Quadrupole-Free Mode Launcher | |
| Bryzgunov et al. | Study of the Electron Cooling System of the NICA Booster | |
| Mamontov et al. | Numerical Analysis of Runaway Electron Beam Focusing with a Homogeneous Longitudinal Magnetic Field | |
| Kuzikov et al. | Ultra-High Gradient Short RF Pulse Gun | |
| Zhang et al. | Physical design and multi-physics analysis of a 200 MHz continuous wave radio frequency quadrupole accelerator for a proton accelerator facility | |
| Vakili et al. | Conceptual design of 30 kW-NBI injector using a multi-cusp ion source for heating of D-shaped Damavand tokamak plasma | |
| Frame | An Upgraded Photoinjector for the Argonne Wakefield Accelerator | |
| Yildiz et al. | Beam dynamic studies at accelerator system of gun for a self-amplified spontaneous emission free electron laser project | |
| Iqbal et al. | Finite element analysis of beam optics, gun envelope and magnetic of megawatt electron gun of microwave power source | |
| Cummings et al. | Plasma Muon Beam Cooling for HEP |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |