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第1章 绪论1

1.1 回旋加速器概述1

1.1.1 均匀场回旋加速器原理1

1.1.2 滑相与磁场等时性概念3

1.1.3 等时性回旋加速器4

1.1.4 静电引出与剥离引出5

1.2 数值模拟与虚拟样机概念7

1.2.1 物理过程的数值模拟7

1.2.2 从CAD/CAE/CAM到虚拟样机技术9

1.2.3 增强现实分布式计算环境10

1.2.4 专家数据库13

1.2.5 虚拟样机流程13

1.3 虚拟样机技术在回旋加速器研发中的作用14

1.3.1 早期回旋加速器的部件模拟实验14

1.3.2 数值模拟加速了回旋加速器的研发进程15

1.3.3 虚拟样机技术改变着传统的设计模式16

1.4 回旋加速器在国民经济中的应用17

1.4.1 中短寿命放射性同位素生产17

1.4.2 正电子断层照相18

1.4.3 质子治疗22

1.4.4 加速器驱动次临界系统31

参考文献34

第2章 电磁场数值计算与磁铁工程37

2.1 磁场数值分析软件包37

2.1.1 电磁场数值计算软件包的通常结构37

2.1.2 电磁场数值计算软件包简介38

2.2 矢量位与标量位41

2.2.1 电磁场的基本方程41

2.2.2 矢量位42

2.2.3 标量位43

2.2.4 双标量位43

2.3 微分方程法和积分方程法45

2.3.1 有限单元法46

2.3.2 积分方程法57

2.3.3 微分方程法与积分方程法的应用范围63

2.4 回旋加速器主磁铁设计的基本思路64

2.4.1 基本尺寸的确定65

2.4.2 调变度的确定69

2.5 基于ANSYS的回旋加速器磁场计算70

2.5.1 二维磁场计算70

2.5.2 三维磁场计算73

2.5.3 基于APDL语言程序设计76

参考文献76

第3章 回旋加速器束流动力学理论及其计算78

3.1 回旋加速器中粒子的横向线形运动79

3.1.1 横向运动的稳定性80

3.1.2 横向线性运动方程及其分段解与闭合解84

3.1.3 Courant-Snyder参数88

3.1.4 横向自由振荡频率及其近似解89

3.1.5 束流相空间、发射度与刘维定理91

3.2 回旋加速器中粒子的加速93

3.2.1 动量发散与偏离动量轨道93

3.2.2 回旋加速器中的滑相95

3.2.3 等时性回旋加速器的磁场分布和滑相计算96

3.3 基于虚拟样机的束流动力学分析与磁铁优化97

3.3.1 基于磁场谐波分析的平衡轨道计算方法98

3.3.2 基于数值积分的平衡轨道计算方法99

3.3.3 横向振荡频率的计算102

3.3.4 径向与轴向共振的避免102

3.3.5 滑相计算和磁铁优化103

3.3.6 基于虚拟样机的束流动力学分析实例：CYCIAE100中心区试验台架磁场测量与束流动力学分析107

3.3.7 基于虚拟样机的磁铁优化实例：16MeV负氢紧凑型回旋加速器主磁铁设计110

3.4 粒子束跟踪与可视化113

3.4.1 粒子运动方程及数值积分跟踪方法113

3.4.2 单粒子及未考虑空间电荷效应的粒子束跟踪113

3.4.3 三维环境下的粒子运动仿真114

参考文献116

第4章 回旋加速器高频谐振腔的设计与仿真118

4.1 回旋加速器高频系统简介118

4.1.1 早期回旋加速器的高频系统118

4.1.2 扇形聚焦回旋加速器的高频系统119

4.2 谐振腔工作原理与基本分析方法123

4.2.1 谐振腔工作原理123

4.2.2 谐振腔基本分析方法124

4.3 同轴谐振腔分析125

4.3.1 解析方法125

4.3.2 等效电路方法128

4.4 回旋加速器谐振腔数值分析130

4.4.1 CYCIAE30回旋加速器谐振腔有限元分析131

4.4.2 9.6MeV医用回旋加速器谐振腔有限元分析132

4.4.3 CYCIAE100回旋加速器中心区试验台架谐振腔有限元分析与测量结果的比较133

4.4.4 CYCIAE100回旋加速器谐振腔有限元分析135

4.4.5 数值分析中的几个技术问题136

参考文献138

第5章 虚拟样机建模与机械分析140

5.1 回旋加速器结构特点140

5.1.1 CYCIAE30磁铁141

5.1.2 CYCIAE30高频系统142

5.1.3 CYCIAE30离子源及轴向注入系统142

5.1.4 CYCIAE30的引出系统144

5.1.5 CYCIAE30真空、水冷系统146

5.2 虚拟样机模型146

5.2.1 虚拟样机模型特点146

5.2.2 几何建模技术148

5.2.3 三维实体建模技术149

5.2.4 参数化建模152

5.2.5 基于特征的建模152

5.2.6 虚拟环境下的几何建模155

5.2.7 回旋加速器建模应用举例156

5.3 虚拟装配仿真159

5.3.1 装配建模159

5.3.2 装配仿真162

5.4 机械设计分析163

5.4.1 机械误差对加速器性能的影响163

5.4.2 应力形变对结构的影响165

5.4.3 工程蓝图生成165

5.4.4 数字模型的共享166

参考文献168

第6章 回旋加速器虚拟控制技术170

6.1 加速器控制系统简介170

6.1.1 加速器控制系统的需求170

6.1.2 加速器常用控制软件包172

6.2 基于面向对象的CVCC系统框架及人机界面设计175

6.2.1 面向对象与可重用技术简介175

6.2.2 CVCC的需求分析177

6.2.3 CVCC概念模型178

6.2.4 基于MVC模式的CVCC框架设计179

6.2.5 人机界面构造181

6.2.6 加速器控制系统建模与仿真182

6.3 基于有限状态机的回旋加速器顺序控制仿真184

6.3.1 加速器顺序控制系统184

6.3.2 回旋加速器顺序控制与连锁系统的模型分析186

6.3.3 基于Stateflow的回旋加速器顺序控制建模与仿真188

6.4 使用Simulink和Real-time Workshop的连续控制仿真与代码集成193

6.4.1 Simulink简介193

6.4.2 RTW代码生成、编译与集成194

参考文献197

第7章 基于混合编程的虚拟样机集成平台200

7.1 虚拟样机集成平台的需求和集成工具的选择200

7.1.1 虚拟样机平台的体系结构和需求分析200

7.1.2 集成平台方案关键元素201

7.2 基于混合编程和Python的虚拟样机集成平台框架设计202

7.2.1 基本方案203

7.2.2 升级组件204

7.3 虚拟样机集成平台的实现204

参考文献207

后记208