[发明专利]鼻锥型谐振腔几何结构的优化方法、计算机可读存储介质、电子设备

说明书

为解决现有鼻锥型谐振腔优化设计方法优化结果具有随意性的问题，本发明提供了一种鼻锥型谐振腔几何结构的优化方法、计算机可读存储介质、电子设备。本发明从多目标多变量优化的角度考虑鼻锥型谐振腔几何结构优化问题，将鼻锥型谐振腔的高频参数、几何参数、谐振频率分别作为目标函数、决策变量、约束函数，以散束器或聚束器实际需要的工作参数作为优化设计的输入条件；在包含典型值的高频参数与几何参数范围内，基于高频参数与主要几何参数关系的仿真结果，建立高频参数、约束函数分别关于几何参数的近似多变量函数，然后构建判据函数，在约束函数确定的决策变量取值范围内搜索几何参数，根据判据函数值选出最优几何参数组合。

技术领域

本发明涉及粒子加速器谐振腔的几何结构优化设计，具体涉及鼻锥型谐振腔的几何结构优化设计。

背景技术

谐振腔是粒子加速器的关键部件，它利用内部高频电磁场，为带电粒子束流提供加速能量、调整束流运动状态。鼻锥型谐振腔(简称鼻锥型谐振腔)广泛应用于质子加速器上，如中国散裂中子源(CSNS)、日本质子加速器研究中心(J-PARC)等，作为散束器或聚束器，以调整束流尺寸及能量分散。鼻锥型谐振腔的几何结构优化设计是散束器、聚束器研制的重点环节。鼻锥型谐振腔的几何结构决定了其高频性能，优化设计即通过调整其几何参数，实现高频参数的优化。具体地，优化旨在获得尽可能大的品质因数及分路阻抗，以及更小的最大表面场强，同时需确保鼻锥型谐振腔的谐振频率与设计值严格一致。

目前国际上在鼻锥型谐振腔的优化设计中均采用人工优化方法，即以通过电磁场建模仿真所获得的几何参数与高频参数的关系为依据，人为地逐一调整几何参数，以获得各项高频参数的均衡优化。然而，人工优化方法在优化效率和决策客观性上都存在不足。具体来讲，由于不同加速器上散束、聚束器的工作条件，即优化设计的输入条件不同，每次人工优化都需要通过仿真建模获得高频与几何参数的关系，优化工作的效率较低；同时，人工优化的决策依赖于设计者经验，结果具有随意性，缺少一致、量化、客观的判据。

发明内容

为了解决现有鼻锥型谐振腔优化设计方法优化结果具有随意性的技术问题，本发明提供了一种鼻锥型谐振腔几何结构的优化方法、计算机可读存储介质、电子设备，以实现鼻锥型谐振腔几何结构的优化。

本发明的技术方案是：

鼻锥型谐振腔几何结构的优化方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、将鼻锥型谐振腔的高频参数、谐振频率和几何参数分别作为目标函数、约束函数及决策变量；

步骤2、构造目标函数、约束函数关于决策变量的近似函数表达式；

步骤3、基于步骤2构造的目标函数关于决策变量的近似函数表达式，构造判据函数；

步骤4、根据步骤2构造的约束函数关于决策变量的近似函数表达式，确定决策变量的取值范围，在决策变量取值范围内以一定步长考察各点上的判据函数，由判据函数值的大小确定最优解，判据函数值最大时对应的变量组合为即为几何结构的最优解。

进一步地，步骤1中所述的高频参数包括品质因数Q、有效分路阻抗R_shT²和最大表面场强E_max；几何参数包括腔半径r、间隙g、鼻锥倾角t和外圆弧半径r_o。

进一步地，步骤2具体为：

步骤2.1利用电磁场仿真软件对鼻锥型谐振腔进行参数化建模，将其主要几何参数依次作为变量，高频参数/谐振频率作为随之变化的目标函数/约束函数，通过扫描参数的方式，仿真计算各个目标函数/约束函数与变量的关系曲线，并对仿真计算结果做多项式拟合，得到目标函数/约束函数关于多个变量的一元多项式拟合函数；