强流质子束在周期聚焦通道中束晕-混沌运动的物理机制及其非线性控制策略

实践表明矩阵传输理论及定性方法是分析强流质子束在周期聚焦磁场通道中束晕-混沌运动的产生机制,通过多粒子数值模拟(PIC)进一步揭示,不仅是质子束空间电荷的非线性效应,而且束核与粒子之间相互作用导致横向能量交换及非线性共振覆盖形成随机区域的扩散,产生了特有的束晕-混沌复杂运动.为此,提出采用非线性反馈控制策略,产生反作用力去抵消粒子的横向散焦效应和扩散.通过PIC研究证实了该法对抑制束晕-混沌的有效性.同时讨论了实验的可能性.     

几种典型控制器实现束晕控制所需时间的研究

采用小波函数控制器、延迟反馈控制器、自适应控制器及对数函数控制器对初始分布为K-V分布的离子束进行束晕-混沌控制.发现强流离子束实现束晕-混沌控制所需要的时间与控制器的选择明显有关,自适应控制器和延迟反馈控制器实现控制较快,小波函数控制器和对数函数控制器实现控制较慢.因此,在可以选择的条件下,人们在应用时应尽量选择合适的控制器.     

强流加速器中束晕-混沌的自适应控制

提出了一种新的控制方法-自适应控制方法实现了对束晕-混沌较好的控制,PIC多粒子模拟程序数值结果表明该控制器具有控制速度快、控制效果好、无须对增益因子进行准确计算等优点,从而具有较好的应用前景.     

束晕-混沌的复杂性、控制方法及应用

 粒子加速器中束流传输系统是由许多电磁聚焦单元为节点组成的复杂网络,强流粒子束在其束流传输网络系统中产生特有的束晕-混沌现象,是一种奇特的复杂性问题,是一个令人关注的、极其重要的课题。本文概述混沌王国里这个特殊的束晕-混沌的复杂性、物理机理、控制方法和实际应用。     

均匀聚焦磁场中束晕-混沌的sinc函数控制

基于束晕-混沌的非线性控制策略,研究了均匀聚焦磁场通道中束晕-混沌的sinc函数控制方法,并给出了具体的实施方案.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.结果表明,运用此种方法可以有效地消除束晕及再生现象,达到对束晕-混沌的有效控制.     

负指数函数控制器实现束晕-混沌的有效控制

根据控制束晕-混沌的非线性策略,提出一种负指数函数控制器,并运用该控制器和多粒子（PIC）模拟程序研究初始分布为Kapchinsky—vladimirsky（K—V）分布的强流离子束在加速器通道中的传输过程。结果表明,使用该控制器能够消除束晕-混沌及其再生现象,达到对束晕-混沌的有效控制,而且将真空相移的取值范围从90°拓宽到161°。     

周期聚焦磁场对强流离子束的束晕控制效果研究

采用粒子-束核模型,通过编制多粒子(PIC)程序,模拟研究对数函数控制器对初始分布为K-V分布的强流离子束在正弦波和三角波两种周期聚焦磁场作用下控制束晕-混沌的效果.结果表明,在这两种周期聚焦磁场中对数函数控制器均能对束晕进行有效控制,但是在三角波磁场中的控制效果好于正弦波磁场.     

强流加速器中束晕—混沌的小波函数控制研究

研究了用小波函数构造非线性反馈控制器进行控制强离子加速器中的束晕-混沌的方法。数值模拟结果表明,这种由特殊函数构造的控制器具有很好的控制束晕-混能力,只要调节知当的控制参数就能够对4种初始分布不同的离子束进行较理相的控制。研究结果可望为强离子加速器中束晕-混沌控制的实现提供有效参考。     

以匹配半径外离子数为控制变量的束晕控制

实现了以强流加速器中离子束流匹配半径外的离子数为控制变量的束晕-混沌控制,并定性地讨论了新的控制变量与已往的控制变量相比所具有的优点．通过研究,提出了一个正弦函数形式的控制器．可以看出,该控制器对离子信息的探测量较少,与以往的控制器相比,更方便于应用．     

具有小世界和无标度拓扑的束流输运网络中束晕-混沌的同步与控制

基于复杂网络的两种同步稳定判定条件,首先研究比较了两种小世界模型(WS模型和SD模型)以及无标度模型的同步能力,然后分别构造了具有小世界(SW)拓扑和无标度(SF)特性由束晕-混沌振子组成的束流输运网络.利用噪声驱动控制方法实现了束晕-混沌的同步控制.另外,利用简单的线性控制器,实现了束流输运网络的单周期的稳定控制.这些结果有可能为利用束流输运网络来实现束晕-混沌的同步进行保密通信提供一种新的途径,也有可能为强束流输运网络的理论设计和实验研究时提供一定的参考.     

以局部区域内的离子数实现束晕的有效控制

采用来自局部区域内的控制信息和对数函数控制器对初始分布为K-V分布的离子束进行束晕-混沌的模拟控制。结果显示,用局部区域内的离子数作为控制信息的对数函数控制法能够有效的抑制束晕-混沌的再生,控制效果不亚于其他控制方法,而且由于该控制信息来源区域很小,具有在实验上实施定点探测的优点,要远远优于其他控制方法。     

Physical mechanism of beam halo-chaos formation for high-current proton beam in a periodic-focusing channels and a nonlinear control strategy

The physical mechanism of the halo-chaos formation for a high intensity proton beam in a periodic-fo cusing channel is analyzed using the transfer mahix theory and a qualiative analysis method.Particles-in-cell simula tims are further used to explore the mechanism of the beam halo-chaos fomation, which concerns not only with thc non linear effect of the beam space charge but also with the lransverse energy exchange belween the particles and the particle core. as well as the chaos generated by the nonlinear resonance ovcrlap. A nonlinear control method is proposed for con trolling tie haho-chaos. Simulation results show lhal the melhod is efhclivc. Somc potemlial applications of the halo chaos conlrol in experimenls are discussed.     

失匹配因子和调谐因子对强流离子束的影响

运用P IC多粒子模拟程序,采用延迟反馈控制法,对初始分布为K-V分布的强流离子束研究了其在加速器通道中运行时受失匹配因子和调谐衰减因子的影响程度。得到了失匹配因子某些取值范围可导致束晕无法控制,但对于各种取值,对径向密度分布均影响不大,以及调谐衰减因子对径向密度分布曲线的形状有明显的影响等结果。     

基于聚焦离子束铣削的复杂微纳结构制备

聚焦离子束铣削是一种灵活且高精度的微加工方法,探索通过聚焦离子来铣削进行复杂微纳米结构的加工过程．通过聚焦离子束铣削加工,利用灰度值精确控制离子柬加工时间,实现闪耀光栅以及正弦结构等复杂微纳结构的加工过程同时,利用聚焦离子束对原子力显微镜纳米管探针的长度进行高精度调控,其长度控制精度可以小于50nm．聚焦离子柬铣削技术为制备在各种科学工程领域应用的多种复杂微结构提供了有效途径．     

真空相移对束晕-混沌控制影响的一些研究

运用PIC多粒子模拟程序及延迟反馈控制器，通过数值模拟，研究了K—V分布束束晕-混沌控制中真空相移对束晕-混沌的影响，得到了控制效果最好的真空相移的范围，为强流加速器工程实现提供了有用的参考．     

分布参数柔性梁的建模与振动边界控制

研究了一类具有未知扰动和变张力柔性梁的二维振动控制问题。柔性梁式结构属于典型的无穷维分布参数系统,其动力学模型由一组偏微分方程(PDEs)和一组用常微分方程(ODEs)混合构成。为了避免控制溢出和实现二维振动控制,基于柔性梁原始无穷维分布参数模型,结合边界控制技术和Lyapunov直接法,设计了纵向和横向二维PD(Proportional Derivative)控制器用以抑制柔性梁的振动,设计的PD控制器简单可行且独立于系统参数,因此具有较好的实时性和鲁棒性。其后利用经典的Lyapunov直接法对柔性梁系统的稳定性和一致有界性进行了证明。最后对所设计控制方法的有效性进行了仿真验证。