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《中国工程物理研究院》 2005年
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LIA强流束聚焦过程数值模拟与透镜设计

谢宇彤  
【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。
【学位授予单位】:中国工程物理研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TL53

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