一种非谐振快加速全波形动态补偿方法和系统

技术领域

本发明涉及一种非谐振快加速全波形动态补偿方法、系统、可读介质和计算设备，属于同步加速器技术领域。

背景技术

同步加速器在基础研究和拓展应用方面都有了十分迅猛的发展。基础研究层面，同步加速器应用于核物理、原子物理实验研究等，是科学家们探索粒子微观结构的绝佳工具。拓展应用层面，同步加速器广泛应用于同位素生产、肿瘤的诊断和治疗、射线消毒、辐射育种、食品保鲜、离子注入、材料的辐射改性、离子束的微量分析，以及空间辐射模拟、核爆炸辐射模拟等中，为社会带来庞大的经济效应，促进全世界人民生活水平的进步。

图1是同步加速器的二极磁铁波形周期示意图，多极透镜磁铁波形与之类似。在上升段，束流注入到加速器中，经过俘获、加速后加速到所需的能量。在平顶段，束流被引出到后续束线、终端或其他加速器装置中进行研究、应用或进一步处理。在下降段和平底，加速器回到初始状态并等待下个周期的开始。由于束流被实际使用的时间段只有平顶段，为了提升同步加速器的运行效率，最直接的方法就是减少平顶段以外其他部分的时间。减少上升段和下降段时间，意味着磁铁的磁场变化速度需要提升，带来了各种动态效应偏差，降低磁场品质，减小束流流强，在上升速率增长到一定程度时甚至会导致全部束流丢失，长久以来制约了同步加速器加速梯度的提升。但在这个加速器发展的需求日益壮大的时期，同步加速器上升速率的提升迫在眉睫，因此一个在提高上升速率的同时降低磁场偏差的系统有着广泛的应用前景。

国外用于解决此类问题的是B-Train系统，通过在线测量磁场来降低磁场误差。在线测量需要选择一台参考铁安装测磁装置，分为在线参考铁和离线参考铁。对于在线参考铁方案，需要将测磁装置直接安装到同步加速器的磁铁中，已经建成的装置往往不会预留这样的空间，还未建成的装置需要为这套系统提升磁铁间隙和造价。更致命的问题是，束流运行在真空管道内，而在线测量系统无法将测量设备安装到真空盒内，只能测量偏移正确位置的磁场值。再加上加速器运行对在线测量的干扰，这套方案的可行性进一步降低。对于离线参考铁方案，需要额外建造若干台同规格磁铁放在加速器附近，串联到同一套电源系统中，这时新的问题是额外的磁铁、电源和空间成本往往十分庞大，大幅提升了加速器建造成本。

国内解决加速器磁场偏差问题的有清华大学曾红锦在XiPAF同步加速器上的研究。其文章将磁场偏差来源分为纹波、磁滞和涡流三个部分分别解决，解决方法分别是滤波磁铁、位移磁化模型以及线性系统校正。其中滤波磁铁涉及到磁铁的设计，原文中也没有在加速器上实际应用，而另外两种方法在其文中对磁滞和涡流有优化作用。但其存在的问题在于，磁滞和涡流并不是影响磁场偏差的全部因素。静态偏差方面，测磁方法、真空盒的选择等因素都会影响最终的励磁曲线；动态偏差方面，随着磁场上升速率的提升，电源跟踪性能下降，同样造成磁场相对给定值的延迟。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种非谐振快加速全波形动态补偿方法、系统、可读介质和计算设备，其解决了同步加速器高上升速率时产生动态效应等问题，将动态效应导致的闭轨畸变降低到±1mm以内，为基于同步加速器的癌症治疗、材料辐照、核孔膜生产、航空航天研究提供一套基于前馈控制的非谐振快加速全波形动态补偿系统。

为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种非谐振快加速全波形动态补偿方法，包括：将一组理想磁场曲线输入测磁系统生成实际无补偿磁场偏差；将同一组理想磁场曲线输入动态补偿模型，获得的经过初始补偿的励磁曲线；根据补偿后的磁场偏差，判断经过初始补偿的励磁曲线的补偿效果；将补偿效果反馈至动态补偿模型中，对动态补偿模型进行优化，直至获得最终的动态补偿模型；将实际理想磁场曲线输入最终的动态补偿模型获得补偿后的励磁曲线，将励磁曲线应用到磁铁电源上，对磁场偏差进行补偿。

进一步，动态补偿模型为全波形动态补偿模型；全波形动态补偿模型采用多维差插值算法进行计算，将理想磁场曲线或实际理想磁场曲线输入多维插值算法，结合离线动态测磁数据和离线静态测磁数据生成动态偏差dI-I数据和静态励磁I-BL数据，根据动态偏差dI-I数据和静态励磁I-BL数据生成全波形补偿电流曲线，将励磁曲线应用到磁铁电源上，对磁场偏差进行补偿。

进一步，通过离线动态测磁数据计算得到补偿动态效应所需的电流校正量与当前电流的关系，作为动态偏差dI-I数据；通过离线静态测磁数据计算得到补偿静态效应后的励磁曲线，作为静态励磁I-BL数据。

进一步，全波形补偿电流曲线的生成方法，包括：

采用不同的励磁回路、测量方法以及真空盒条件，测量不同条件下的静态励磁I-BL数据，并保存至离线静态测磁数据库中；

将整个加速过程划分成注入加速段、注入段、引出加速段和引出段四段；

根据无补偿磁场偏差计算出不同段给定电流下的补偿电流，并对不同段分别处理得到相应的dI-I曲线和dI-t曲线，保存至动态测磁数据库中；

采用不同的注入段电流值、引出段电流值、上升速率及拐弯时间的测磁数据参数，得到所有条件下的四组曲线数据，并保存至动态测磁数据库中；

调用静态测磁数据库中的静态励磁I-BL数据，通过多维插值算法计算得到任意理想磁场BL-t曲线对应的静态效应校正电流曲线I-t；

调用动态测磁数据库中的曲线数据，通过多维插值算法计算得到任意情况下的dI-I曲线和dI-t曲线，并叠加在静态效应校正I-t曲线上，进而合成动态效应校正电流曲线，为最终的全波形补偿电流曲线。

进一步，对不同段分别处理得到相应的dI-I曲线和dI-t曲线，包括：

对于给定电流随时间增大的注入加速段和引出加速段，校正电流随给定电流变化，构成了校正电流的dI-I曲线；

对于注入段和引出段，给定电流不再变化，校正电流随时间近似指数衰减，构成了校正电流的dI-t曲线。

进一步，离线动态测磁数据中校正波形由注入加速段、注入段、引出加速段、引出段四个部分组成，影响参数包括磁场上升速率、拐弯时间、注入段电流值或注入段长度、引出段电流值或引出段长度；所述离线静态测磁数据包括上升支路偏差、下降支路偏差、励磁曲线选择或真空盒偏差。

本发明还公开了一种非谐振快加速全波形动态补偿系统，包括：测磁模块，用于将一组理想磁场曲线输入测磁系统生成实际无补偿磁场偏差；模型输入模块，用于将同一组理想磁场曲线输入动态补偿模型，获得的经过初始补偿的励磁曲线；补偿效果生成模块，用于根据补偿后的磁场偏差，判断经过初始补偿的励磁曲线的补偿效果；模型优化模块，用于将补偿效果反馈至动态补偿模型中，对动态补偿模型进行优化，直至获得最终的动态补偿模型；在线补偿模块，用于将实际理想磁场曲线输入最终的动态补偿模型获得补偿后的励磁曲线，将励磁曲线应用到磁铁电源上，对磁场偏差进行补偿。

进一步，模型优化模块将理想磁场曲线或实际理想磁场曲线输入多维插值算法，结合离线动态测磁数据和离线静态测磁数据生成动态偏差dI-I数据和静态励磁I-BL数据，根据动态偏差dI-I数据和静态励磁I-BL数据生成全波形补偿电流曲线，将励磁曲线应用到磁铁电源上，对磁场偏差进行补偿。

本发明还公开了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，一个或多个程序包括指令，指令当由计算设备执行时，使得计算设备执行根据上述任一项非谐振快加速全波形动态补偿方法。

本发明还一种计算设备，包括：一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在存储器中并被配置为由一个或多个处理器执行，一个或多个程序包括用于执行根据上述任一项非谐振快加速全波形动态补偿方法。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明中方案具有高度兼容性和可靠性。不管是小型化的治癌加速器还是庞大的同步加速器装置，只需要在原本的测磁计划中增加本发明非谐振快加速全波形动态补偿相应的内容，就可以在运行时进行磁场动态效应的在线补偿。无需引入额外的硬件设备，成本低廉使用便捷。

2、本发明中方案算法简洁高效，显著减少磁场偏差和束流闭轨畸变，提升束流流强等束流参数。该全波形动态补偿模型经过几个月的离线、在线测试，能够高效分析各类磁场误差来源，并分别在电流波形上予以最有效的校正手段和校正量。磁场偏差与励磁电流校正量之间有一定的线性对应关系，但是最终产生误差的来源大不相同，如果直接在波形上采用同样的校正方法往往无法获得良好的校正效果。通过总结大量的离线测磁和在线束流测试数据，此模型能够简洁高效地优化磁场静态和动态效应。

3、本发明采用的技术方案相比在线测磁系统有更大的优势。可以避免在线测量方案的各种干扰和限制，以及额外建造电源和磁铁的高昂成本。采用全波形在线补偿的电源波形，在准备充足的情况下，廉价高效地优化磁场动态效应偏差，成为癌症治疗、材料辐照、航空航天研究等领域应用和实验加速器的最佳选择。

附图说明

图1是现有技术中的同步加速器二极磁铁波形周期示意图；

图2是本发明一实施例中非谐振快加速全波形动态补偿方法的示意图；

图3是本发明一实施例中全波形动态补偿算法的流程图；

图4是本发明一实施例中动态补偿前后的动态闭轨畸变曲线图；

图5a是本发明一实施例中给定电流随时间变化，将上升过程分成了注入加速段、注入段、引出加速段、引出段四个部分示意图；

图5b是本发明一实施例中注入加速段和引出加速段的校正电流随给定电流的关系图；

图5c是本发明一实施例中注入段的校正电流随时间的关系图；

图5d是本发明一实施例中引出段的校正电流随时间的关系图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了解决现有技术中存在的同步加速器高上升速率时产生动态效应等问题，本发明公开了一种非谐振快加速全波形动态补偿方法、系统、可读介质和计算设备，其对于静态偏差，在离线测磁详尽研究了所有影响因素，对所有偏差的变化采用统一的多维插值算法进行补偿；对于动态偏差，计算时直接使用最终的测量结果与理想磁场进行比较，所有的延时效应都能得到补偿，其提前测量动态效应并用一套全波形动态补偿算法进行在线动态磁场校正。从测量精度上来说，在设施完善的测磁间中进行离线测量有着在线测量无法比拟的精度。由于没有空间限制，测磁电源、感应线圈、高斯计、电机系统和工控机等测磁设备都能在最合适的环境下工作，大幅提升测磁结果精度。通过全波形动态补偿算法，能利用这些离线数据计算出任意波形下的磁场偏差并在线进行磁场误差补偿。下面结合附图，通过几个实施例对本发明方案进行详细阐述。

实施例一

本实施例公开了一种非谐振快加速全波形动态补偿方法，如图2所示，在磁铁上线前需要对磁铁的动态效应进行测量。磁铁、电源都要选用现场安装时的组合配套方案，如某台电源供给若干台磁铁，就要在测磁现场按照同样的方式安装。同样，其他条件也要尽可能符合现场安装时的实际情况，尽可能保证电磁环境的一致性，比如真空盒也要安装到合适的位置。

本实施例中动态补偿方法包括：

S1将一组理想磁场曲线输入测磁系统，测量理想磁场与实际磁场之间的偏差，生成实际无补偿磁场偏差。

在本实施例中，理想磁场曲线为目标磁场曲线。搭建好测磁系统后，准备好一组理想磁场曲线，由于加速器实际运行时的磁场偏差受到很多参数的影响，离线测量时需要确定这些参数对磁场偏差的贡献。对磁场偏差最大的参数是磁场上升速率，两者之间近似是正比关系。磁场偏差有增长和降低的过程，这个过程与波形的拐弯时间相关。磁场曲线的注入段和引出段的磁场值与磁滞效应高度相关，对动态效应有直接的影响。动态效应在磁场曲线平台上接近指数衰减，注入引出平台长度关系到磁场偏差的变化。磁场上升速率、波形拐弯时间、注入引出平台值和注入引出平台长度等参数共同影响着最终的磁场偏差。所以需要根据这些参数生成一组理想磁场曲线，包含所有参数的范围和组合。由于一条波形的动态测磁和数据处理只需要一分钟左右的时间，大批量波形的测磁是可行的，视参数复杂程度和精度要求在几天到数周内可以完成整个过程。

S2将同一组理想磁场曲线输入动态补偿模型，获得的经过初始补偿的励磁曲线。

S3根据补偿后的磁场偏差，判断经过初始补偿的励磁曲线的补偿效果。

S4将补偿效果反馈至动态补偿模型中，对动态补偿模型进行优化，直至获得最终的动态补偿模型。

本实施例中动态补偿模型为全波形动态补偿模型。如图3所示，全波形动态补偿模型采用多维差插值算法进行计算。加速器控制系统或者测磁现场的工控机将理想磁场曲线输入多维插值算法，结合离线动态测磁数据和离线静态测磁数据生成动态偏差dI-I数据和静态励磁I-BL数据，根据动态偏差dI-I数据和静态励磁I-BL数据生成全波形补偿电流曲线，将励磁曲线应用到磁铁电源上，对磁场偏差进行补偿。

通过离线动态测磁数据计算得到补偿动态效应所需的电流校正量与当前电流的关系，即动态偏差dI-I数据。其中，离线动态测磁数据中校正波形由注入加速段、注入段、引出加速段、引出段四个部分组成，影响参数包括磁场上升速率、拐弯时间、注入段电流值或注入段长度、引出段电流值或引出段长度，其主要涉及与磁场上升速率变化相关的动态效应，主要来源是磁铁的涡流效应和电源的跟踪误差。

通过离线静态测磁数据计算得到补偿静态效应后的励磁曲线，即静态励磁I-BL数据。离线静态测磁数据包括上升支路偏差、下降支路偏差、励磁曲线选择或真空盒偏差。其主要涉及磁场慢速上升时的磁场偏差，主要来源是磁铁的磁滞效应、测磁方法以及真空盒磁导率对静磁场的影响。

其中，全波形补偿电流曲线由静态效应补偿电流曲线和动态效应补偿电流曲线构成。静态效应补偿电流曲线的生成方法是：采用不同的励磁回路、测量方法以及真空盒条件，测量不同条件下的静态励磁I-BL数据，并保存至离线静态测磁数据库中；

调用离线静态测磁数据库，获得任意情况下的I-BL曲线，将理想磁场曲线BL-t转化为静态效应校正电流曲线I-t。

其中，如图5a至图5d所示，全波形补偿电流曲线由静态效应补偿电流曲线和动态效应补偿电流曲线构成。具体的，全波形补偿电流曲线的生成方法包括以下步骤：

S41采用不同的励磁回路、测量方法以及真空盒条件，测量不同条件下的静态励磁I-BL数据，并保存至离线静态测磁数据库中；

S42将整个加速过程划分成注入加速段、注入段、引出加速段和引出段四段，如图5a所示。

S43根据动态测磁测量的无补偿磁场偏差计算出不同段给定电流下的补偿电流，并对不同段分别处理得到相应的dI-I曲线和dI-t曲线，保存至动态测磁数据库中；

具体为：

对于给定电流随时间增大的注入加速段和引出加速段，校正电流随给定电流变化，构成了校正电流的dI-I曲线，如图5b所示；

对于注入段和引出段，给定电流不再变化，校正电流随时间近似指数衰减，构成了校正电流的dI-t曲线，如图5c和图5d所示。

S44采用不同的注入段电流值、引出段电流值、上升速率及拐弯时间等测磁数据参数，得到所有条件下的四组曲线数据，并保存至动态测磁数据库中；

S45调用静态测磁数据库中的静态励磁I-BL数据，通过多维插值算法计算得到任意理想磁场BL-t曲线对应的静态效应校正电流曲线I-t；

S46调用动态测磁数据库中的曲线数据，通过多维插值算法计算得到任意情况下的dI-I曲线和dI-t曲线，并叠加在静态效应校正I-t曲线上，进而合成动态效应校正电流曲线，该动态效应校正电流曲线即为最终的全波形补偿电流曲线。

S5将实际理想磁场曲线输入最终的动态补偿模型获得补偿后的励磁曲线，将励磁曲线应用到磁铁电源上，对磁场偏差进行补偿。

电源加载补偿波形后可以实现非谐振快加速同步加速器的全波形动态补偿，降低磁场偏差，优化束流品质并提高流强。如图4所示，电源加载补偿前后的动态闭轨畸变曲线。SESRI可以通过全环BPM计算加速过程中的全环闭轨畸变，对非谐振快加速全波形动态补偿系统进行验证。根据加速器理论，磁场偏差与闭轨畸变正相关，通过测量闭轨畸变可以验证对磁场偏差的补偿算法。图4中可以看到在不加校正的时候加速过程中最大闭轨畸变为16mm，加载补偿波形后闭轨畸变被减小到±1mm，验证了动态补偿系统的有效性。

实施例二

基于相同的发明构思，本实施例公开了一种非谐振快加速全波形动态补偿系统，包括：

测磁模块，用于将一组理想磁场曲线输入测磁系统生成实际无补偿磁场偏差；

模型输入模块，用于将同一组理想磁场曲线输入动态补偿模型，获得的经过初始补偿的励磁曲线；

补偿效果生成模块，用于根据补偿后的磁场偏差，判断经过初始补偿的励磁曲线的补偿效果；

模型优化模块，用于将补偿效果反馈至动态补偿模型中，对动态补偿模型进行优化，直至获得最终的动态补偿模型；

在线补偿模块，用于将实际理想磁场曲线输入最终的动态补偿模型获得补偿后的励磁曲线，将励磁曲线应用到磁铁电源上，对磁场偏差进行补偿。

模型优化模块将理想磁场曲线或实际理想磁场曲线输入多维插值算法，结合离线动态测磁数据和离线静态测磁数据生成动态偏差dI-I数据和静态励磁I-BL数据，根据动态偏差dI-I数据和静态励磁I-BL数据生成全波形补偿电流曲线，将励磁曲线应用到磁铁电源上，对磁场偏差进行补偿。

实施例三

基于相同的发明构思，本实施例公开了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，一个或多个程序包括指令，指令当由计算设备执行时，使得计算设备执行根据上述任一项非谐振快加速全波形动态补偿方法。

实施例四

基于相同的发明构思，本实施例公开了一种计算设备，包括：一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在存储器中并被配置为由一个或多个处理器执行，一个或多个程序包括用于执行根据上述任一项非谐振快加速全波形动态补偿方法。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。