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     

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     

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。     

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。     

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     

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     

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     

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。     

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。     

Nonlinear Control of Beam Halo-Chaos in Accelerator-Driven Clean Nuclear Power System

Beam halo-chaos in high-current accelerators has become a key concerned issue because it can cause excessive radioactivity from the accelerators therefore significantly limits their applications in industry, medicine, and national defense. Some general engineering methods for chaos control have been developed in recent years, but they generally are unsuccessful for beam halo-chaos suppression due to many technical constraints. Beam halo-chaos is essentially a spatiotemporal chaotic motion within a high power proton accelerator. In this paper, some efficient nonlinear control methods, including wavelet function feedback control as a special nonlinear control method, are proposed for controlling beam halo-chaos under five kinds of the initial proton beam distributions (i.e., Kapchinsky-Vladimirsky, full Gauss,3-sigma Gauss, water-bag, and parabola distributions) respectively. Particles-in-cell simulations show that after control of beam halo-chaos, the beam halo strength factor is reduced to zero, and other statistical physical quantities of beam halo-chaos are doubly reduced. The methods we developed is very effective for suppression of proton beam halo-chaos in a periodic focusing channel of accelerator. Some potential application of the beam halo-chaos control in experiments is finally pointed out.     

Synchronization and Control of Halo-Chaos in Beam Transport Network with Small World Topology

The synchronous conditions of two kinds of the small-world （SW） network are studied. The small world topology can affect on dynamical behaviors of the beam transport network （BTN） largely, if the BTN is constructed with the SW topology, the global linear coupling and special linear feedback can realize the synchronization control of beam halo-chaos as well as periodic state in the BTN with the SW topology, respectively. This important result can provide an effective way for the experimental study and the engineering design of the BTN in the high-current accelerator driven radioactive clean nuclear power systems, and may have potential use in prospective applications for halo-chaos secure communication.     

Stability Analysis of Some Nonlinear Feedback Control Methods for Beam Halo-Chaos Suppression

Control of beam halo-chaos has been a very challenging subject for research in recent years, in which some nonlinear feedback methods have been developed for suppression of beam halo-chaos in high-current proton linear accelerators. However, stability analysis of such successful nonlinear feedback control methods has not yet been rigorously carried out, which remains an important open topic in the field. In this letter, we present a rigorous mathematical analysis of several nonlinear feedback control methods that are applied to control beam halo-chaos with great success on simulations.     

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。     

Controlling Beam Halo-Chaos via Time-Delayed Feedback

The study of controlling high-current proton beam halo-chaos has become a key concerned issue for many important applications. In this paper, time-delayed feedback control method is proposed for beam halo-chaos. Particle in cell simulation results show that the method is very effective and has some advantages for high-current beam experiments and engineering.