一种束流纳秒脉冲成形系统参数优化仿真设计方法与流程

1.本发明属于脉冲成形系统参数优化设计技术领域，具体涉及一种束流纳秒脉冲成形系统参数优化仿真设计方法。


背景技术：

2.脉冲中子发生器是一类具有重要科研用途和工业应用价值的高科技设备，是开展诸如中子核数据测量、核聚变与核裂变相关研究、物质元素分析研究等的关键装置。美国在上世纪60年代、日本在上世纪80年代就建成了纳秒脉冲中子发生器，并开展了大量的中子核数据和次级中子能谱测量工作，为美国核数据库endf/b
‑
6和日本核数据库jendl
‑
3.2的建立和不断完善做了大量工作。我国在本世纪初研制成功了纳秒脉冲中子发生器ciae 600kv，为我国核数据库cendl
‑
3.2的建立起了重要作用。
3.近年来，一方面，上世纪建成的纳秒脉冲中子发生器已到达退役年限，设备老化难以以最佳状态运行；另一方面，基于纳秒脉冲中子应用技术的开发研究急需可开展相关研究工作的纳秒脉冲中子发生器。因此，许多国家启动了新一代纳秒脉冲中子发生器的研制，例如，德国已建成的强流纳秒脉冲中子发生器franz，中国正在开展的利用直线感应加速原理的新型纳秒脉冲中子源研究等。在脉冲中子发生器中，束流纳秒脉冲成形系统是核心关键技术，因此对现有束流脉冲成形系统参数优化仿真是目前研究的主要方向，对于脉冲中子发生器的研究开发具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术中存在的缺陷，提供了一种束流纳秒脉冲成形系统参数优化仿真设计方法，通过建立脉冲中子发射器和束流脉冲成形系统的束线设计方案，并利用束线设计方案建立了pic仿真模型，根据对pic仿真模型的设置参数进行不断优化，验证了仿真模型计算结果的可靠性，保证了建立的pic仿真模型的精度，为束流纳秒脉冲成形系统的设计提供了有力的数据支撑。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种束流纳秒脉冲成形系统参数优化仿真设计方法，具体包括如下步骤：
7.s1：建立脉冲中子发生器及其束流脉冲成形系统的束线设计方案；
8.s2：根据步骤s1建立的束线设计方案建立pic仿真模型；
9.s3：根据pic仿真模型设置束流脉冲成形系统的仿真参数，计算结果；
10.s4：对仿真模型计算结果进行验证，验证未通过，则调整模型；若验证通过，则完成pic仿真模型原型的构建；
11.s5：重复步骤s3和s4，对束流脉冲成形系统pic仿真模型进行优化，直到pic仿真模型具有足够的精度来设计束流纳秒脉冲成形系统为止。
12.所述步骤s1中的脉冲中子发生器包括高压平台、离子源、加速管、地电极、三单元四极磁透镜、开关磁铁、螺线管透镜、切束器、聚束器、供电系统和旋转靶，所述切束器由一
对平行扫描板和选束法兰组成，所述聚束器采用双间隙聚束结构；所述束流脉冲成形系统包括切束器、聚束器和供电系统。
13.所述脉冲中子发生器的具体工作过程为：所述离子源产生的氘束流经加速管加速至能量400kev，经三单元四极磁透镜横向聚焦、开关磁铁偏转后，束流进入脉冲束线，再经三单元四极磁透镜横向聚焦后，进入切束器，在切束器内部的扫描板高频电场作用下，束流扫描前进，选束法兰阻止扫描至选束孔径外的束流，通过选束孔的部分束流形成长脉冲束团，长脉冲束团经聚束器纵向聚焦作用后，在旋转靶位置形成纵向焦点，螺线管透镜横向聚焦束团。
14.所述步骤s3中pic仿真模型的初始参数为：氘离子的质量为2，电荷量为1，能量为400kev，束流强度为0.25ma，束流直径为4mm。
15.所述平行扫描板和选束法兰均由不锈钢材料制成，且所述平行扫描板包括上扫描板和下扫描板，上扫描板施加高频电场，下扫描板接地，从而在上下扫描板之间形成高频电场，选束法兰接地，所述上扫描板施加正弦高频电压v(t)，其表达式为
16.v(t)＝v(0)sin(ωt)
17.式中：v(0)为高频电压幅值，ω为角频率，t为时间。
18.所述聚束器中间的圆筒电极接高频电源，两侧的圆筒电极分别接地，电极由不锈钢材料制成。聚束器的中间电极高频电压v
b
(t)表达式为
19.v
b
(t)＝v
b0
sin(ω
b
t φ)
20.式中：v
b0
为高频电压幅值，ω
b
为角频率，t为时间，φ为初始相位。
21.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
22.本发明通过建立脉冲中子发射器和束流脉冲成形系统的束线设计方案，并利用束线设计方案建立了pic仿真模型，根据对pic仿真模型的设置参数进行不断优化，验证了仿真模型计算结果的可靠性，保证了建立的pic仿真模型的精度，为束流纳秒脉冲成形系统的设计提供了有力的数据支撑。
附图说明
23.图1是本发明实施例中纳秒脉冲dd/dt中子发生器的结构示意图。
24.图2是本发明实施例中纳秒脉冲束成形系统的结构示意图。
25.图3是本发明实施例中脉冲束流在切束器中的时空演化过程。
26.图4是本发明实施例中正弦高频电压幅值与脉宽关系的实验结果示意图。
27.图5是本发明实施例中切束器沿x轴电场强度在y方向的电场瞬时强度ey。
28.图6是本发明实施例中聚束器沿x轴电场强度在x方向的电场瞬时强度ex。
29.图7是本发明实施例中氘束流从进入切束器到达收集极的时空演化过程。
30.图8是本发明实施例中收集极上脉冲束团时间结构信息和束流强度示意图。
具体实施方式
31.下面将结合具体实施例和附图来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
32.实施例1
33.一种束流纳秒脉冲成形系统参数优化仿真设计方法，具体包括以下内容：
34.1.仿真模型
35.1.1束流脉冲成形系统方案
36.建立如图1所示的纳秒脉冲dd/dt中子发生器的束线设计方案，其主要组成单元包括高压平台、离子源、加速管、地电极、三单元四极磁透镜、开关磁铁、螺线管透镜、切束器、聚束器、旋转靶等组成。束流脉冲成形系统主要由切束器、聚束器、供电系统等组成，如图2所示。
37.脉冲中子发生器的具体工作过程为：所述离子源产生的氘束流经加速管加速至能量400kev，经三单元四极磁透镜横向聚焦、开关磁铁偏转后，束流进入脉冲束线，再经三单元四极磁透镜横向聚焦后，进入切束器，在切束器内部的扫描板高频电场作用下，束流扫描前进，选束法兰阻止扫描至选束孔径外的束流，通过选束孔的部分束流形成长脉冲束团，长脉冲束团经聚束器纵向聚焦作用后，在旋转靶位置形成纵向焦点，螺线管透镜横向聚焦束团。
38.1.2仿真参数设置
39.将基于图1
‑
2所示的束流脉冲成形系统建立pic仿真模型。在pic仿真中，氘束流的初始参数设置为：氘离子的质量为2，电荷量为1，能量为400kev，束流强度为0.25ma，束流直径为4mm。切束器和聚束器的仿真参数分别如下所述。
40.1.2.1切束器参数
41.切束器由一对平行扫描板和选束法兰组成，如图1所示，平行扫描板和选束法兰均由不锈钢材料制成，且所述平行扫描板包括上扫描板和下扫描板。切束器的上扫描板施加高频电场，下扫描板接地，从而在上下扫描板之间形成高频电场，选束法兰接地，所述上扫描板施加正弦高频电压v(t)，其表达式为
42.v(t)＝v(0)sin(ωt)
43.式中：v(0)为高频电压幅值，ω为角频率，t为时间。
44.切束器的结构和高频电压参数分别如表1中所示。
45.表1切束器的结构和高频电压参数
46.扫描板长度/cm20上下扫描板间隙/cm2选束法兰孔径/cm3扫描板与选束法兰之间距离/cm240高频电压幅值v
(0)
/kv1高频电压角频率ω/mhz10
47.1.2.2聚束器参数
48.所述聚束器采用双间隙聚束结构，如图1所示，聚束器中间的圆筒电极接高频电源，两侧的圆筒电极分别接地，电极由不锈钢材料制成。聚束器的中间电极高频电压v
b
(t)表达式为
49.v
b
(t)＝v
b0
sin(ω
b
t φ)
50.式中：v
b0
为高频电压幅值，ω
b
为角频率，t为时间，φ为初始相位。
51.聚束器的结构和高频电压参数分别如表2所示。
52.表2聚束器的结构和高频电压参数
53.高频高压电极长度/cm46.5高频高压电极内半径/cm2左侧接地圆筒电极长度/cm7.9右侧接地圆筒电极长度/cm7.9高频电极与左右接地电极之间间隙/cm2.1高频电压幅值v
b0
/kv30高频电压角频率ω
b
/mhz40高频电压初始相位φ/rad7π16
54.1.3仿真模型校验
55.为验证仿真模型计算结果的可靠性，根据切束器实验数据，建立切束器的pic仿真模型，如图3所示。图3给出了束流在切束器中的传输情况，可以看出，经切束器作用后，在选束法兰后形成脉冲束团。根据切束器实验数据，分别仿真计算了平行扫描板正弦高频电压幅值分别为1、2、3、4kv时，脉冲束团的脉宽大小，结果如图4所示。从图4中可以看出，仿真结果与理论结果基本吻合，与实验数据有相同的变化趋势。仿真结果表明，pic仿真模型具有足够的精度来设计束流纳秒脉冲成形系统。
56.2仿真结果
57.2.1电场
58.切束器上加载的是高频正弦电压，观察某一时刻的瞬时电场分布和电场强度值。通过程序，观察了沿轴线x电场强度在y方向的分量ey的瞬时值，其仿真结果如图5所示。从图5中可以看出，在158.426ns时刻，沿轴线x，从300到500mm，高频电场在y方向的分量ey值约为
‑5×
104v/m，负号表示电场方向沿y轴负方向。在切束器的边缘有弥散电场，边缘弥散电场在切束器两边迅速下降，距离切束器扫描板左右边缘约30mm处，电场强度ey值分别从
‑5×
104v/m下降到
‑1×
104v/m，下降了约80％。
59.聚束器上加载的是高频正弦电压，观察某一时刻的瞬时电场分布和电场强度值。通过程序，给出了沿x轴电场强度在x方向分量ex的分布和大小，仿真结果如图6所示。从图6中可以看出，在3.301ns时刻，左侧接地电极和中间高频电压电极之间ex的最大值约为
‑
1.1
×
106v/m，负号表示电场方向指向负x轴方向，在该间隙两侧分布有弥散电场，呈指数形式下降；右侧接地电极和中间高频电压电极之间ex的最大值约为1.1
×
106v/m，电场方向指向正x轴方向，同样，在该间隙两侧分布有弥散电场，呈指数形式下降；在左右接地电极和高频高压电极内部，电场强度值均为0。
60.2.2束流传输
61.通过pic模拟，观察了直流氘束从进入切束器到到达收集极的时空演化过程，在1.994us时刻，氘束流的时空演化仿真结果如图7所示。从图7中可以看出,一束直流d束传输到切束器中，经切束器高频电场作用后，在漂移区间演化成具有正弦波形状传输的束流，再通过选束法兰作用后，通过选束法兰的部分束流构成了长脉冲束团，其余束流被选束法兰阻挡而损失掉。接着，长脉冲束团通过一段漂移区间后，进入聚束器中，经过双间隙聚束器对长脉冲束团的纵向聚焦作用后，再通过一段漂移区间，最终形成了短脉冲束团，被收集极接收。
62.2.3脉冲束团特性
63.通过仿真，给出了氘直流束经过脉冲成形系统作用后，在收集极上脉冲束团的时间结构信息和束流强度，仿真结果如图8所示。从图8中可以看出，脉冲束团的脉宽约为5ns，重复频率约为3.2mhz，该束团的峰值电流约为1.3ma，达到了所设计束流脉冲成形系统的初步设计指标。
64.以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理。