[发明专利]一种用于回旋器件的多螺线管磁体设计方法

说明书

本发明公开了一种用于回旋器件的多螺线管磁体设计方法，属于微波毫米波技术领域。本发明通过理论计算得到当前螺线管参数对应下的理论磁场分布，对比给定的磁场分布数据，通过特定的表征方法计算两者的加权方差，用此加权方差作为当前模型参数的适应度，将此作为目标函数用计算机进行寻找最佳参数；本发明还通过加入磁场沿轴向的梯度误差表征来修正特殊形位，通过分布形位差值表征和沿轴向的梯度差值对螺线管参数进行联合修正，对磁场分布的一些特殊形位以及全局误差都起到了很好地作用，速度更快、准确度更高。

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域，涉及电真空技术领域中回旋器件的强磁系统设计，兼具任意多个螺线管的磁场分布计算，以及对任意给定磁场分布进行模型设计。

技术背景

回旋器件是一种基于自由电子受激辐射原理的新型电真空器件，主要应用集中在军事成像雷达、电子对抗等领域。此外，回旋器件在国际热核聚变、等离子体加热、材料处理、动态核极化等领域也有一定的应用。

磁系统产生的磁场上升区用于回旋器件中电子的聚焦，均匀区用于电子的回旋，与电磁波形成“注-波”同步换能，磁场下降区用于电子的解旋运动，故磁系统的好坏直接影响了回旋器件的性能。

回旋器件外加磁系统的磁场分布主要分为均匀区和两个渐变区，通常情况下设计螺线管，可以根据设计经验给出参数初始值，然后多次调节以达到设计要求，但是对于某些特殊形位要求的磁场分布，使用此种方法设计就比较困难。螺线管的个数是设计开始最重要的选择，如果形位要求特殊，螺线管的个数不够，是不可能设计出达到要求的模型，在只知道磁场分布的情况下，螺线管具体参数很难通过人工计算给出，并且对于回旋器件需要的磁场分布，对精度要求会很高，人工设计参数难度较大。

发明内容

本发明针对现有技术中缺少针对螺线管的具体正向计算以及反向设计，特殊形位磁场设计困难等问题，通过数学推导得到计算理论，并设计了特殊的变权适应度函数，通过MATLAB软件中的多目标遗传算法优化，最终实现目标分布的磁体设计。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于回旋器件的多螺线管磁体设计方法，包括以下步骤：

S1、给定需要的磁场分布[x(i),B0(i)]，x(i)为第i个离散点位置坐标，B0(i)为第i个离散点对应的磁场强度；

S2、由给定的磁场分布，通过差分计算得到给定磁场沿轴向的梯度分布B1，B1与磁场强度分布B0具有相同数目离散点。

S3、根据给定的磁场分布和磁场沿轴向的梯度分布，确定遗传算法的上下边界即螺线管参数的取值范围，以及适应度函数的权数组S，S为一个长度与B0相同的数组，不同离散点处，加权大小不同。螺线管参数是由M个螺线管的外径R、内径r、长度L、所在位置p组成的4×M矩阵；

S4、根据螺线管参数，通过多目标适应度函数，计算得到适应度值；所述多目标适应度函数表示为：

其中，ε表示给定磁场分布与当前模型磁场分布的差值，δ表示给定磁场沿轴向的梯度分布与当前模型磁场沿轴向的梯度分布的差值，i表示离散点序号，t为给定磁场分布的离散点个数，B1(i)为第i个离散点对应的磁场沿轴向的梯度分布，A(z_i)为当前模型沿中心轴离散点z_i处的磁场强度，D(z_i)为当前模型沿中心轴离散点z_i处磁场沿轴向的梯度分布，z_i为当前模型沿z轴上选取的第i个坐标点，S(i)为各离散点对应权值。