一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法及系统

技术领域

本发明涉及电离毛细管的参数确定领域，特别是涉及一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法及系统。

背景技术

带电粒子加速器是高能物理和核物理等研究领域，以及材料、生物和医疗等应用领域的重要工具。庞大的体积、昂贵的建造维护费用成为了目前加速器在许多应用领域发展的主要瓶颈，急切需要技术的革新。

激光加速器利用超强激光与等离子体相互作用，在厘米甚至微米尺度上就可以将电子或离子加速到相对论能量。截至目前，激光加速已经成功获得能量4.2GeV的准单能电子束和最高能量为93MeV的质子束以及0.5GeV的碳离子束。这种超小型加速器，特别是离子加速器，在癌症治疗、空间辐射环境模拟、聚变科学等领域都具有重要的应用价值。

等离子体透镜具有中和空间电荷、径向对称聚焦、高强电磁场承载能力强、聚焦力强等优点，在聚焦高能加速器离子领域具有极高的应用价值。但通常等离子体透镜寿命短，需要庞大的外载设备，难以克服等离子体不稳定性，这些缺点制约了其进一步发展，也不利于加速器的小型化。

电离毛细管作为一种新型的等离子体透镜，克服了传统等离子体透镜体积庞大、不稳定等缺点，已经成功用于激光加速电子束聚焦。但电离毛细管的孔径小，难以应用到传统束流。激光加速的束流束斑特别小，能够采用电离毛细管作为等离子体透镜。与真空传输不同，等离子体透镜以全电离等离子体作为传输介质，束流与介质的相互作用不可避免，而质子和电子与等离子体的相互作用过程有很大的差异，不能将适用于聚焦电子束的透镜直接用于聚焦质子束，根据质子参数重新设计透镜，只有在质子聚焦用毛细管最佳参数的条件下，才能最高质量的传输质子，而现有技术中并不存在质子聚焦用毛细管最佳参数的确定方法及系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法及系统，能够确定毛细管的最佳参数，提高毛细管作为传输介质的传输性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法，包括：

获取电离毛细管的工作参数，所述工作参数包括充气气压、气体种类、室温、安放距离、质子中心能量、可接受的能量损失率和放电回路等效电感；

根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型；

获取电离毛细管的退化约束条件；

根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型；

根据所述规划问题退化模型，确定电离毛细管的孔径、长度和放电电流。

可选地，所述根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型，具体包括：

根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型：

其中，V为充电电压，p＝n

可选地，所述获取电离毛细管的退化约束条件，具体包括：

获取电离毛细管的退化约束条件：

可选地，所述根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型，具体包括：

根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型：

可选地，根据所述规划问题退化模型采用公式

其中，L

一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定系统，包括：

工作参数获取模块，用于获取电离毛细管的工作参数，所述工作参数包括充气气压、气体种类、室温、安放距离、质子中心能量、可接受的能量损失率和放电回路等效电感；

多参数非线性规划描述模型建立模块，用于根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型；

退化约束条件建立模块，用于获取电离毛细管的退化约束条件；

规划问题退化模型确定模块，用于根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型；

电离毛细管参数确定模块，用于根据所述规划问题退化模型，确定电离毛细管的孔径、长度和放电电流。

可选地，所述多参数非线性规划描述模型建立模块，具体包括：

多参数非线性规划描述模型建立单元，用于根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型：

其中，V为充电电压，p＝n

可选地，所述退化约束条件获取模块，具体包括：

退化约束条件获取单元，用于获取电离毛细管的退化约束条件：

可选地，所述规划问题退化模型确定模块，具体包括：

规划问题退化模型确定单元，用于根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型：

可选地，所述电离毛细管参数确定模块，具体包括：

电离毛细管参数确定单元，用于根据所述规划问题退化模型采用公式

其中，L

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明涉及一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法及系统。该方法包括：获取电离毛细管的工作参数，所述工作参数包括等离子体密度、等离子体电子温度、充气压强和放电电压；根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型；获取电离毛细管的退化约束条件；根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型；根据所述规划问题退化模型，确定电离毛细管的孔径、长度和放电电流。本发明能够确定毛细管的最佳参数，提高毛细管作为传输介质的传输性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法流程图；

图2为本发明质子聚焦用毛细管最佳参数确定系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法及系统，能够确定毛细管的最佳参数，提高毛细管作为传输介质的传输性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

在设计参数的解决方案中，将限制条件归纳为多参数非线性规划问题。非线性规划是一种求解目标函数或退化约束条件中有一个或几个非线性函数的最优化问题的方法。这一方法在工业、交通运输、经济管理和军事等方面有广泛的应用，特别是在“最优设计”方面，它提供了数学基础和计算方法，因此有重要的实用价值。采用内点法求解非线性规划问题，多种商业化软件均具备内点算法。

图1为本发明质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法流程图。如图1所示，一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定方法包括：

步骤101：获取电离毛细管的工作参数，所述工作参数包括充气气压、气体种类、室温、安放距离、质子中心能量、可接受的能量损失率和放电回路等效电感。

步骤102：根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型，具体包括：

根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型：

其中，V为充电电压，p＝n

首先，可以确定的是毛细管在低压弧光放电区工作，气体全电离，等离子体的离子作用均可以不予考虑。等离子体的密度n

p＝n

实际的等压区域压强会因为管壁的非理想化而略小于充气压强p，这个误差可以忽略。k

管通道内气体要实现电离，两端电极的起始放电电压V必须大于该段气体的击穿电压，根据Paschen定律，可得：

其中，a和b均为实验规律确定的参数，与使用气体种类相关。

为保证电离后的等离子体密度分布稳定，充气气流必须要稳定。毛细管是气路开放性的结构，稳定性要求不期望产生湍流，这意味着雷诺数：

其中，u是气体流速，可由Poiseuille方程u＝r

入射质子束将部分能量转移到完全电离的等离子体中的电子和离子上，这部分能量损失要比在固体中传输的能量损失大得多。控制能损不能过大，确保三个工作条件：

质子-等离子体弱耦合：

高能质子：

v

非磁化等离子体：

ω

其中，

满足上述条件的质子-等离子体能量阻止本领可描述为：

其中，

束流与管道内等离子体的多重库伦碰撞散射可能导致散角和发射度增长，这是束流传输过程中不希望发生的。通过公式可以评估质子在等离子体中库伦碰撞的弛豫时间：

其中，Λ＝3N

等离子体放电过程中会产生Z-Pinch效应，Z-Pinch效应是指电流会受到自身磁场的作用而产生磁压，它会减小等离子体通道半径并引入等离子体不稳定性，从而导致收集效率和束流质量严重下降，因此应极力避免Z-Pinch效应的发生。如果等离子体热压p

模拟工作证明，毛细管内等离子体的电子温度满足关系：

其中，T

步骤103：获取电离毛细管的退化约束条件，具体包括：

获取电离毛细管的退化约束条件：

根据电离毛细管聚焦质子束的实际应用场景，可做几点预期评估。长度较大的毛细管内气体全电离是难以实现的，需要额外的激光加热，目前能达到条件的毛细管最长达20cm，不采取激光加热的手段，其长度不超过10cm。毛细管在真空中使用，充气压强的控制很关键，若压强过小，管道内的稳定气体将不能维持，压强过大，真空环境将会被破坏，这限制等离子体密度在10

将电离毛细管的设计和放电电路拆解，先评估毛细管需求，再设计满足需求的电路。根据上述评估，毛细管的几个退化约束条件是自然满足的：

将电离毛细管的设计和放电电路拆解，先评估毛细管需求，再设计满足需求的电路。

步骤104：根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型，具体包括：

根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型：

步骤105：根据所述规划问题退化模型，确定电离毛细管的孔径、长度和放电电流，具体包括：

根据所述规划问题退化模型采用公式

其中，L

图2为本发明质子聚焦用毛细管最佳参数确定系统结构图。如图2所示，一种质子聚焦用毛细管最佳参数确定系统包括：

工作参数获取模块201，用于获取电离毛细管的工作参数，所述工作参数包括充气气压、气体种类、室温、安放距离、质子中心能量、可接受的能量损失率和放电回路等效电感。

多参数非线性规划描述模型建立模块202，用于根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型。

退化约束条件获取模块203，用于获取电离毛细管的退化约束条件。

规划问题退化模型确定模块204，用于根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型。

电离毛细管参数确定模块205，用于根据所述规划问题退化模型，确定电离毛细管的孔径、长度和放电电流。

所述多参数非线性规划描述模型建立模块202，具体包括：

多参数非线性规划描述模型建立单元，用于根据所述工作参数，建立电离毛细管的多参数非线性规划描述模型：

其中，V为充电电压，p＝n

所述退化约束条件获取模块203，具体包括：

退化约束条件获取单元，用于获取电离毛细管的退化约束条件：

所述规划问题退化模型确定模块204，具体包括：

规划问题退化模型确定单元，用于根据所述多参数非线性规划描述模型、所述退化约束条件和现实应用条件，确定规划问题退化模型：

所述电离毛细管参数确定模块205，具体包括：

电离毛细管参数确定单元，用于根据所述规划问题退化模型采用公式

其中，L

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。