谈谈加速器优化策略在直线加速器设计中运用

论文导读：、ISAC-I、ISAC-II、CEBAF;正在建设中的Spiral2、IFMIF、ESS、FRIB、C-ADS、MYRRHA、Lina;规划中的ILC、MEIC、X-ADS、ProjectX等。一般来说,直线加快器的造价与加快器的长度从及束流孔径直接相关,通过优化加快结构、提高束流品质可从明显减少工程造价,由此对直线加快器进行优化设计是一个很有必要的探讨课题。经过调研了
摘要：直线加快器产生的束流具有平均流强高、亮度高的特征,但是由于束流只能单次通过一个加快结构,且常温加快腔的功耗很大,在获得高能量时,直线加快器就变得造价昂贵,由此常温直线加快器一般能量较低、运转在脉冲方式、用作同步加快器的注入器。但是随着放射性束物理、高通量散裂中子源、加快器驱动的体系(ADS)、高能量密度物理、基本粒子物理等探讨领域强烈需求的促进,从及超导射频技术的高速进展,使得高能、强流、高占空比的直线加快器得到大力的进展,如已建成的SNS、Linac2、ISAC-I、ISAC-II、CEBAF;正在建设中的Spiral2、IFMIF、ESS、FRIB、C-ADS、MYRRHA、Lina;规划中的ILC、MEIC、 X-ADS、Project X等。一般来说,直线加快器的造价与加快器的长度从及束流孔径直接相关,通过优化加快结构、提高束流品质可从明显减少工程造价,由此对直线加快器进行优化设计是一个很有必要的探讨课题。经过调研了优化办法在加快器设计和运转领域的运用状况,目前加快器领域的优化探讨工作大都集中在同步加快器的lattice优化上,而对于直线加快器的优化工作仅仅局限于局部的传输段的束流匹配。由此该论文工作探讨的重点在于直线加快器的全局优化设计和办法,这是直线加快器领域中一项全新的工作。优化不足的三个要素包括优化目标、优化算法和优化变量。而直线加快器的优化不足是多变量、多目标不足。论文使用DOTA优化包和LINREV设计程序结合的办法,通过对SSC-pnac注入器DTL加快段和APF型直线加快器的优化设计,探讨分析了直线加快器优化不足中优化目标、优化算法和优化变量对最后优化结果的影响。SSC-pnac注入器DTL加快段的优化目标是高的传输效率、低的发射度增长；APF直线加快器的优化目标为满足大的横纵向接受度和具有更大的加快效率。探讨结果表明：对于多变量、多目标的直线加快器优化不足,简单依靠数学算法很难得到合理的、稳定的全局优化结果,而且耗时长；必须根据物理需求选择合适的优化目标,并基于物理设计原则对优化变量进行降维处理,从物理设计思想为指导,制定科学的优化对策才能得到全局更优的设计结果,并大幅降收敛到最优变量的迭代次数。作者在上面陈述的探讨工作基础上针对直线加快器这个具体的优化不足,提出了从周期相移平滑度作为优化目标,辅助其他的束流参数,使用公式参数法进行优化变量的降维,协作开发了优化设计软件LinacOpt。它采取具有空间电荷效应的线性矩阵模型；在优化目标的选取上,LinacOpt可从输出更符合直线加快器设计原则的物理变量,如发射度增长、传输效率、接受度、加快能量、周期相移平滑度等；优化办法采取智能优化算法粒子群算法；优化变量的处理采取基于直线加快器设计原则的优化参数降维办法,以而保证了自动优化设计的实现。论文就LinacOpt的动力学模拟和优化设计分别与Trace Win和DOTA进行了校验。其动力学模拟的误差在简化模型的范围内。作者采取相同的物理模型使用LinacOpt进行APF直线加快器的设计,相对于从前DOTA和LINREV结合的办法,在保证相同加快能量和横向发射度接近的状况下,纵向发射度减小了50%,并且迭代次数减小了一个量级。校验的结果表明LinacOpt的设计和模拟的结果是可靠的,并且具备了直线加快器设计、束流品质优化、束流参数匹配等功能。论文最后,作者利用LinacOpt进行了C-ADS直线加快器注入器Ⅱ的lattice自动优化设计,结果相比手工优化横纵向发射度增长都有所下降,尤其纵向发射度减少了60%左右,进一步验证了作者提出来的直线加快器全局优化设计理念和优化参数降维办法的可行性和正确性。作者在学期间主要完成的工作：1、使用DOTA优化软件和LINERV软件结合进行SSC-pnac和APF-pnac的优化设计。2、协作开发自己的程序pnacOpt,使用智能优化算法和直线加快器设计原则相结合实现直线加快器的设计优化。3、使用LinacOpt软件进行ADS注入器Ⅱ的自动优化设计中,取得了很好的结果。关键词：直线加快器论文优化设计论文智能算法论文优化参数降维论文LinacOpt论文
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Abstract5-10
第一章 绪论10-23

1.1 直线加快器技术的进展11-19

1.2 优化算法在加快器设计中运用概述19-23

第二章 直线加快器基础论述和优化论述23-41

2.1 直线加快器基本论述23-34

2.

1.1 纵向动力学23-29

2.

1.2 横向动力学29-33

2.

1.3 空间电荷效应33-34

2.

1.4 小结34

2.2 最优化办法的基础论述34-41

2.1 最优化论述的数学模型34-35

2.2 优化算法简介35-40

2.3 小结40-41

第三章 基于DTL设计的优化不足探讨41-72

3.1 DOT优化软件和LINREV软件的简介42-47

3.

1.1 DOTA优化软件的简介42-45

3.

1.2 直线加快器设计软件LINREV的简介45-47

3.2 SSC-pnac的优化设计探讨47-63
3.

2.1 SSC-pnac工程简介47-49

3.

2.2 SSC-LINAC DTL段的优化设计探讨49-62

3.

2.3 小结62-63

3.3 APF-pnac的优化63-72

3.1 APF-pnac的工程背景63-64

3.2 APF-pnac的优化设计64-71

3.3 小结71-72

第四章 优化设计程序LinacOpt开发探讨72-97

4.1 LinacOpt程序开发简介73-78

4.

1.1 LinacOpt程序开发的思路73-74

4.

1.2 LinacOpt程序开发的架构74-76

4.

1.3 LinacOpt的物理背景76-77

4.

1.4 LinacOpt降维的实现77-78

4.

1.5 小结78

4.2 LinacOpt的优化设计运用78-97
4.

2.0 LinacOpt物理模型的benchmark78-83

4.

2.1 LinacOpt优化功能的benchmark83-85

4.

2.2 LinacOpt对ADS注入器Ⅱ的优化运用85-88

4.

2.3 LinacOpt对ADS注入器Ⅱ的设计运用88-95

4.

2.4 小结95-97

第五章 结束语97-99
参考文献99-103
作者简历103-104
在学期间的探讨成果104-105
致谢105