束晕-混沌的复杂性理论与控制方法及其应用前景

本文系统论述涉及强流加速器等强流离子束装置中产生的束晕-混沌的复杂性理论与控制方法及其应用前景。强流离子束在核材料生产与增殖、洁净核能、放射性废物嬗变、放射性药物生产、重离子聚变、高能物理、核科学与工程、国防与民用工业和医疗等许多方面都有极其重要的应用潜力和诱人的发展前景。尤其是，近年来强流加速器驱动的放射性洁净核能系统是国内外关注的热门课题，因为它比常规核电更安全、更干净、更便宜。但是，强流离子束形成的束晕-混沌的复杂性现象已引起了国内外广泛关注，需要加以抑制、控制和消除这类现象，解决这一难题已经成为强流离子束应用中的关键问题之一。目前不仅必须深入研究这类束晕-混沌的复杂特性及其产生的物理机制，而且需要研究如何实现对束晕-混沌的有效控制，并寻求和发展其新理论、新方法和新技术。这就向强流离子束物理和非线性-复杂性科学及其技术提出了一系列极富挑战性的新课题。本文结合国内外的研究概况，根据我们多年来的研究成果，特别是我们首创性地提出了一些束晕-混沌的有效控制方法，它们包括：非线性反馈控制法，小波反馈控制法，变结构控制法，延迟反馈控制法，参数自适应控制法等，进行重点的介绍。对上述课题当前的主要进展及相关问题进行系统的总结和比较全面综述的评论。最后，指出该领域今后的研究方向，以推动这个崭新领域的深入研究和应用发展。     

强流加速器中束晕-混沌的延迟反馈控制

简要分析了延迟反馈法运用于束晕混沌控制的理论可行性并实现了5种不同的初始质子分布情形下强流加速器中束晕混沌的有效控制.控制律为线性,反馈量小,有利于技术实现和降低控制代价,可为强流加速器的工程实现提供参考. 关键词： 束晕-混沌 强流加速器 延迟反馈     

强流束晕-混沌的外部磁场开关控制

研究了强流离子束在周期聚焦磁场通道中束晕-混沌的外部磁场开关参数控制方法. 将该方法应用在多粒子模型中，实现了对5种不同初始分布质子束的束晕-混沌的有效控制，得到了消除束晕及其再生现象的理想结果.在强流加速器系统中，由于外部磁场是可测和可调 的物理量，因此该控制方法有利于实验研究，可为强流质子加速器中周期聚焦磁场的设计和实验提供参考. 关键词： 强流离子束 周期聚焦磁场通道 束晕_混沌 混沌控制 开 关控制     

小波函数反馈法实现对强流束晕混沌的有效控制

提出小波函数反馈控制法,分别实现了在四种不同的初始质子分布情形下对强流质子束的束晕混沌的有效控制.控制后束晕强度因子变为零,束均方根半径、束横向动量平方和的平均值和相对平均发射度比控制前都减少至1/2—1/3.结果表明该方法十分有效,具有应用前景 关键词： 小波函数反馈法 束晕混沌 强流质子束     

束晕-混沌的神经网络自适应控制

 理论分析了强流离子束在周期磁场聚焦通道中传输时产生的束晕 混沌动力学行为,给出了近似反映实际聚焦磁场的余弦函数形式。然后利用神经网络方法对非线性复杂系统控制的优越性,提出前馈反传神经网络方法对强流离子束中束晕 混沌进行自适应控制。通过适当选择的神经网络控制结构和线性反馈系数以及自适应调整神经网络的权系数,可将强流离子束的包络半径达到束匹配半径的控制目标,且束包络的抖动大小明显减少,束晕 混沌现象得到了明显的抑制。     

束晕-混沌的非线性反馈离散控制

 基于非线性控制方法，提出了一种特殊的非线性反馈函数， 即小波反馈函数，用于离散控制强流质子束的束晕 混沌。控制后质子束的束晕强度因子很快趋于零，束均方根半径、束横向平均发射度等都减至控制前的三分之一稍多, 证明该控制方法切实有效，在工业上具有实用价值。     

强流束晕-混沌的外部磁场自适应控制

 研究了强流质子束在周期聚焦磁场通道中束晕 混沌的外部磁场自适应控制方法,给出了磁场控制方程。将该方法应用在多粒子模型中,实现了对4种不同初始分布质子束的束晕 混沌的有效控制,得到了消除束晕及其再生现象的理想结果。在强流加速器系统中,由于外部磁场是可测和可调的物理量,因此该控制方法有利于实验研究,可为强流质子加速器中周期聚焦磁场的设计和实验提供参考。     

共振、混沌与束晕形成

研究强流束中的非线性共振、混沌与束晕形成的关系.给出强流束中非线性共振范围的表达式及其随束流空间电荷效应变化的数值结果和图表曲线,提出由非线性共振而激发的束晕形成的空间电荷效应极限,并分析束晕形成的过程.     

均匀聚焦磁场中束晕-混沌的孤子控制

采用粒子.束核模型,对均匀聚焦磁场中满足K-V分布的离子束进行模拟研究.观察到束晕.混沌现象,基于束晕.混沌的非线性控制策略,提出控制束晕.混沌的孤子函数控制器,并给出具体的实施方案.模拟研究表明,运用这种方法可以消除束晕及其再生现象,达到对束晕.混沌的有效控制.     

强流加速器中束晕-混沌的小波间隔反馈控制

在束晕-混沌的小波函数控制已实现的基础上,给出了一种形式更为简单的小波函数控制器,并研究了束晕混沌的多周期间隔反馈控制方法.以控制初始条件遵从Kapchinshij-Vladimirskij分布的离子束为例进行模拟,结果表明,通过适当选择间隔的周期数和小波控制器的控制参数,仍能很有效地对束晕混沌进行控制,并能达到消除束晕及其再生现象的理想结果.研究结果可望为实用强流加速器的研制提供有价值的参考 关键词： 小波函数控制器 多周期间隔 束晕-混沌 强流离子束     

以小区域内的离子数为控制信息实现束晕的有效控制

利用匹配半径外的某些固定区域内的离子数目提供控制信息,采用对数函数控制器对强流离子束进行束晕－混沌控制的数值模拟研究. 结果显示,该方法能够有效地抑制五种不同初始分布的离子束的束晕再生现象. 该方法由于控制信息的探测区域小且能固定,在实验上便于实施. 关键词： 束晕 控制 局部区域 信息     

周期聚焦磁场中束晕-混沌的简单函数控制

本文采用粒子-束核模型,基于束晕-混沌的非线性控制策略,对周期性聚焦磁场中满足K—V分布的离子束进行模拟研究,提出了控制其束晕-混沌的简单函数控制器,并给出具体的实施方案．数值模拟研究表明,运用这种方法可以消除束晕及其再生现象,达到对束晕-混沌的有效控制．     

非线性反馈控制强流加速器中的束晕—混沌现象

 基于Poincare-Lyapunov定理, 应用定性分析,提出用非线性反馈法实现对束晕-混沌的控制。矩阵传输理论研究已发现：质子束的空间电荷效应导致质子束径向发散及束晕现象。因此, 构造一类正弦等形式的非线性反馈函数去抵消质子束空间电荷非线性效应。PIC数值模拟结果证实该方法的可行性,为实验提供一定理论依据。     

束晕-混沌控制中的粒子跟踪模拟研究

运用PIC程序研究了强流离子束中粒子的横向运动，发现了不加控制时束晕粒子并非一直处于晕区和施加非线性控制后粒子的横向运动被限制在一定的范围内形成环状，以及均方根半径的变化近似成为周期运动等性质.根据观察到的均方根半径及其变化率的规律性，提出了一种新的自适应控制器.用该控制器不仅能在很短的时间内完全控制住束晕，而且不需要对增益因子进行精确计算，也能在系统参数改变的情况下取得较好的控制效果. 关键词： 束晕_混沌 粒子跟踪 数值模拟 自适应控制     

强流质子加速器束流剖面分布及束晕测量系统设计

 针对一台用于加速器驱动洁净核能源系统研究、高占空比的强流质子加速器,开展强流质子直线加速器束晕产生的研究工作,其中的束流剖面分布特别是束晕部分测量的束流诊断系统是研究工作的核心内容。束晕的产生在低能量段尤其重要,且对整个直线加速器的设计有重要影响。介绍了研究束晕增长的束流输运线和测量系统的布局设计,并根据所研究的加速器束流的情况进行束流剖面探测器和束晕测量的设计和预研,包括丝靶材料的模拟计算和选择、机械驱动的控制系统设计和研究、前端模拟电路的设计和仿真模拟、以及整个系统与EPICS和VxWorks的计算机控制接口等。     

对数函数控制下不同失匹配因子条件下强流离子束流品质变化的模拟研究

运用PIC多粒子模拟程序,采用对数函数控制法,对初始分布为K-V分布的强流离子束 进行模拟研究。我们发现离子束在加速器通道中的运行规律是从均匀分布逐渐演化到 非均匀分布状,并且其径向密度会连续地振荡到运行结束。离子束密度在振荡的过程中 其中心部分还伴有明显的波峰出现。这些结论可对加速器应用在获取微观物质结构、提 高核能利用率等方面提供参考。     

调谐衰减因子对束晕-混沌控制的影响

采用以离子数比为控制变量的对数函数控制器,研究了不同填充因子下调谐衰减因子对强流离子加速器中初始分布为K-V分布的离子束束晕-混沌控制的影响。研究表明,使用对数函数控制器时,较大的调谐衰减因子下,可以控制束晕-混沌的填充因子取值范围较大,且填充因子越大控制效果越好;较小的调谐衰减因子对束晕-混沌的控制效果影响相对较大。     

半周期延迟-非线性反馈控制混沌

提出了基于稳定性准则的半周期延迟-非线性反馈控制混沌的方法，即SC(stability criterion)半周期延迟非线性反馈控制法.通过对混沌系统的适当分离，得到一个特殊的非线性函数，并利用混沌输出信号与其半周期延迟信号的非线性函数之和，构造了连续反馈输入干扰.该方法继承了延迟反馈控制方法及稳定性准则控制方法的优点，实现了有效的自控制过程；并克服了延迟反馈方法的限制，能将嵌入混沌吸引子中的自对称直接不稳周期轨稳定.控制过程可随时开始，具有简便、灵活性.数值模拟结果显示了SC半周期延迟-非线性反馈方法控制的有效性. 关键词： 稳定性准则 混沌控制 半周期延迟 非线性反馈     

强流束晕-混沌的外部磁场滑模变结构控制

 研究了周期性聚焦磁场通道中,束晕-混沌的外部磁场滑模变结构控制方法。通过选择适当的滑模函数,根据李雅普洛夫稳定性条件,推导出外部磁场的滑模变结构控制器。模拟结果表明,在控制条件下,混沌变化的束包络半径能被控制到匹配半径。将该方法应用在多粒子模型中,实施每隔一个磁场周期就调节一次磁场幅度的控制策略,可实现对初始分布为K-V分布离子束的束晕-混沌的有效控制,束平均发射度降低了80%左右,束晕强度因子变为0,束流质量得到了很好的改善,消除了束晕及其再生现象。由于外部磁场是可测和可调的物理量,控制器简单且利于实现,研究结果可为强流离子加速器中周期性聚焦磁场的设计与试验提供参考。     

非线性共振及束晕-混沌的场强参数特性

通过计算和分析周期聚焦磁场强度和表征束自生场强度的束导流系数的变化对强流粒子束运动特征的影响,系统研究了强流粒子束的非线性共振和束晕现象。采用庞加莱截面技术对束核包络振荡及其单粒子运动轨迹进行了数值模拟,清楚地展示了不同情况下束核包络非线性振荡以及对应的试验粒子空间分布。结果表明:束核自生场使得束核包络发生非线性振荡,随着束核自生场和聚焦磁场的增加,伴随着束核共振岛的出现,单粒子空间分布出现越来越多的束晕粒子。