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。     

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。     

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。     

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。     

Controlling Beam Halo-Chaos by Adaptive Control Exterior Magnetic Field

In this paper, the parametric adaptive method for controlling the beam halo-chaos in the periodic focusing channels of high-current proton linacs is presented. The study of proton beam halo-chaos based on controlled beam envelope equation and the results of particles-in-cell simulations for macro-particle beam show that the proton beam chaotic envelope as well as the beam rsm radius can be controlled to the beam matched radius using this method.For the Kapchinskij-Vladimirskij (K- V) distribution of initial proton beam, all statistical physical, quantities of the beam halo-chaos are largely reduced. This control method has an advantage of the control halo-chaos since the exterior magnetic field as controlled parameter can be rather easily adjusted in the periodical magnetic focusing channels for the experiment.     

Controlling Beam Halo-Chaos by Adaptive Control Exterior Magnetic Field

In this paper, the parametric adaptive method for controlling the beam halo-chaos in the periodic focusing channels of high-current proton linacs is presented. The study of proton beam halo-chaos based on controlled beam envelope equation and the results of particles-in-ceU simulations for macro-particle beam show that the proton beam chaotic envelope as well as the beam rsm radius can be controlled to the beam matched radius using this method. For the Kapchinskij-Vladimirskij (K-V) distribution of initial proton beam, all statistical physical, quantities of the beam halo-chaos are largely reduced. This control method has an advantage of the control halo-chaos since the exterior magnetic field as controlled parameter can be rather easily adjusted in the periodical magnetic focusing channels for the experiment.     

Control of beam halo-chaos by Gauss function in the triangle periodic-focusing channel

This paper studies the Kapchinsky-Vladimirsky （K-V） beam through a triangle periodic-focusing magnetic field by using the particle-core model. The beam halo-chaos is found, and an idea of Gauss function controller is proposed based on the strategy of controlling the halo-chaos. It performs multiparticle simulation to control the halo by using the Gauss function control method. The numerical results show that the halo-chaos and its regeneration can be eliminated effectively, and that the radial particle density is uniform at the centre of the beam as long as the control method and appropriate parameter are chosen.     

Controlling beam halo-chaos via backstepping design

A backstepping control method is proposed for controlling beam halo-chaos in the periodic focusing channels （PFCs） of high-current ion accelerator. The analysis and numerical results show that the method, via adjusting an exterior magnetic field, is effective to control beam halo chaos with five types of initial distribution ion beams, all statistical quantities of the beam halo-chaos are largely reduced, and the uniformity of ion beam is improved. This control method has an important value of application, for the exterior magnetic field can be easily adjusted in the periodical magnetic focusing channels in experiment.     

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     

Distribution uniformity of laser-accelerated proton beams

Compared with conventional accelerators,laser plasma accelerators can generate high energy ions at a greatly reduced scale,due to their TV/m acceleration gradient.A compact laser plasma accelerator(CLAPA) has been built at the Institute of Heavy Ion Physics at Peking University.It will be used for applied research like biological irradiation,astrophysics simulations,etc.A beamline system with multiple quadrupoles and an analyzing magnet for laser-accelerated ions is proposed here.Since laser-accelerated ion beams have broad energy spectra and large angular divergence,the parameters(beam waist position in the Y direction,beam line layout,drift distance,magnet angles etc.) of the beamline system are carefully designed and optimised to obtain a radially symmetric proton distribution at the irradiation platform.Requirements of energy selection and differences in focusing or defocusing in application systems greatly influence the evolution of proton distributions.With optimal parameters,radially symmetric proton distributions can be achieved and protons with different energy spread within ±5% have similar transverse areas at the experiment target.     

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     

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.     

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．     

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。     

CSNS束流损失测量系统设计

介绍了束流损失测量系统探测器的选型、前置放大电子学的功能、数据采集系统的硬件配置及本地站显示界面,着重介绍了本系统在加速器不同能量段的束流调试中的应用。DTL低能段成功观测到了束流损失,针对RCS段脉冲高功率设备,对本系统的干扰提出了解决方案,便于加速器调束时区分干扰与束损,针对RTBT微脉冲大信号的束损进行了积分展宽,满足数据采集系统带宽需求。     

Control of Halo-Chaos in Beam Transport Network via Neural Network Adaptation with Time-Delayed Feedback

Subject of the halo-chaos control in beam transport networks (channels) has become a key concerned issue for many important applications of high-current proton beam since 1990'. In this paper, the magnetic field adaptive control based on the neural network with time-delayed feedback is proposed for suppressing beam halo-chaos in the beam transport network with periodic focusing channels. The envelope radius of high-current proton beam is controlled to reach the matched beam radius by suitably selecting the control structure and parameter of the neural network, adjusting the delayed-time and control coefficient of the neural network.     

半导体器件单粒子效应的加速器模拟实验

 着重描述了应用加速器开展半导体器件的单粒子效应实验研究的方法。采用金箔散射法可以降低加速器束流几个量级，从而满足半导体器件单粒子效应实验的要求。研制的弱流质子束流测量系统和建立的质子注量均匀性测量方法解决了质子注量的准确测量问题。实验测得静态随机存取存储器的质子单粒子翻转截面为10^-7 cm²·bit^-11量级，单粒子翻转重离子LET阈值为4～8MeV·cm²/mg，重离子单粒子翻转饱和截面为10^-7 cm²·bit^-1量级。     

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