基于K-V分布的带电粒子束流最优匹配跟踪与镇定控制理论

Charged particle beam has an indispensable role in the field of particle accelerator and other related fields. How to design a set of effective control methods to realize the precise matching of the state space range and the trajectory tracking of the particle beam in the beam propagation, and to suppress the instabilities of the bunch and the “beam halo” , so as to improve the performance of the whole transmission system of charged particle beam are key problems to be solved urgently. The current project is focused on the key control theory problems involved in the transport process of the charged particle beam based on the K-V distribution in the internal magnetic field of the accelerator. There are four main problems will be proposed in this project about the charged particle beam based on the K-V distribution. Firstly, the problem of focusing magnetic field optimization and control of K-V distributed charged particle beam state space matching and trajectory tracking will be studied. Then, the problem of suppression of bunch instability in K-V distributed charged particle beam will be studied. Moreover, the multi-objective and multi-partition coordination with stabilization control of internal “beam halo” instability will be studied for the beam transport network. Finally, the virtual simulation of physical platform system will be achieved based on the main research content so as to verify the results.

带电粒子束流在粒子加速器等相关领域占据着不可或缺的地位，如何设计一套行之有效的控制算法去实现粒子束流输运过程中束流状态空间范围位置精准匹配以及束流粒子运动轨迹跟踪、抑制束流传输过程中束团以及 “束晕” 不稳定性，从而提高带电粒子束流的整体传输系统性能是目前亟待解决的关键问题。本项目研究内容拟围绕加速器内部磁场通道中初始分布满足K-V分布的带电粒子束流在输运过程中所涉及的关键控制理论问题开展工作，以加速器内部磁场通道中初始分布满足K-V分布的带电粒子束流为研究对象，开展四个方面内容的基础理论研究。首先拟研究K-V分布带电粒子束流状态空间范围位置匹配与运动轨迹跟踪的聚焦磁场优化控制问题；其次拟研究K-V分布带电粒子束流中束团不稳定性抑制控制问题；然后面向束流传输网络拟研究内部 “束晕” 不稳定性的多目标多分区协调镇定控制；最后在主要研究内容基础上实现虚拟仿真物理平台系统搭建与研究成果验证。

粒子加速器是研究高能核物理以及粒子物理学等前沿科学领域最有前景的科学仪器，其在惯性约束核聚变、等离子体、自由电子激光、粒子束武器以及工业、医疗等方面都有着极其重要的应用和发展潜力。带电粒子束流在粒子加速器等相关领域占据着不可或缺的地位，如何设计一套行之有效的控制算法去实现粒子束流输运过程中束流状态空间范围位置精准匹配以及束流粒子运动轨迹跟踪、抑制束流传输过程中束团以及“束晕”不稳定性，从而提高带电粒子束流的整体传输系统性能是目前亟待解决的关键问题。本项目围绕加速器内部磁场通道中初始分布满足K-V分布的带电粒子束流在输运过程中所涉及的关键控制理论问题开展工作，以加速器内部磁场通道中初始分布满足K-V分布的带电粒子束流为研究对象，主要研究了K-V分布带电粒子束流状态空间范围位置匹配与运动轨迹跟踪的聚焦磁场优化控制问题，K-V分布带电粒子束流中束团不稳定性抑制控制问题以及面向束流传输网络不稳定性的多目标多分区协调镇定控制问题，最后在主要研究内容基础上进行了实验仿真模拟与研究成果验证。通过本项目的具体实施，建立了基于K-V分布的束流耦合包络方程及多状态多目标约束下的束流状态空间范围位置匹配及轨迹跟踪计算最优控制算法，设计了不稳定性抑制的参数依赖状态反馈控制器，并在此基础上进行了动态仿真验证及可视化实验效果。相关理论研究成果在国内外控制领域等重要学术刊物发表国内外SCI/EI论文22篇、IEEE国际会议论文4篇、广东省技术发明奖一等奖1项、申请发明专利5项。本项目研究成果将有助于在加速器内部强磁场作用下的束流输运过程建立先进控制优化方法，同时也为加速器物理领域系统开发以及相关行业领域提供进一步的理论支持以及解决方法。