【正文】 icts the beam power increase but also causes the radioactive dose to exceed and damage to structural elements and other adverse consequences, and great harm to the environment and personal chaos phenomenon is one of the difficult issues facing the high current beam , the research of the beam halo chaos formation mechanism has important theoretical and practical introducesome of the important contribution of the previous beam halo chaos research, including research and analysis methods and the seven physical mechanism that may lead to beam halo the chaos .Finally, take the nucleus particle model (KV initial distribution equation)as an example, to analyz the characteristics of particles meeting KV initial distribution in transmission dynamics of a periodic focusing results show that the nonlinear resonance and chaos in the mismatch beam or multi particles beam transport plays an important role and causes the occurrence of the beam halo directly.Key Words: HaolChaos,Accelerator,Physical mechanism,Nucleusparticle model，Nonlinear resonance目 錄摘 要 IABSTRACT II第1章 緒 論 1 1 1——混沌現(xiàn)象 2 3第2章 束暈—混沌形成的物理機(jī)制 4 4 4 粒子束核相互作用 5 周期性聚焦 6 8 電荷密度的非靜態(tài)分布 9 絲化效應(yīng) 10 共振覆蓋導(dǎo)致束暈混沌 11 量子混沌 12第3章 束暈混沌系統(tǒng)的基本動(dòng)力學(xué)特性分析及數(shù)值模擬 13 13 13 15 16 16 20結(jié) 論 23參考文獻(xiàn)： 24致謝 26華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章 緒 論 眾所周知，當(dāng)今世界對(duì)能源的需求越來(lái)越大，而人類目前可利用的能源資源畢竟有限，近幾年隨著世界經(jīng)濟(jì)局勢(shì)的快速變化，化石燃料有的將逐漸耗盡。接著介紹了前人在束暈混沌研究方面的一些重要貢獻(xiàn)，包括研究分析方法和七種可能導(dǎo)致束暈混沌形成的物理機(jī)制。束暈混沌現(xiàn)象是目前強(qiáng)流粒子束應(yīng)用中所面臨的困難問(wèn)題之一。但是，其關(guān)鍵設(shè)備——強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器中存在著束暈現(xiàn)象，即在高密度束核的外圍彌漫著許多粒子,這是一種復(fù)雜的時(shí)空混沌運(yùn)動(dòng) ,統(tǒng)稱束暈混沌現(xiàn)象。其中，強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器有著重要而廣泛的用途和發(fā)展前景 ，用來(lái)驅(qū)動(dòng)次臨界反應(yīng)堆 ,用于生產(chǎn)軍用核材料(钚和氘) 、 放射性潔凈核能和嬗變核廢物等。華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）李強(qiáng)強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器中束暈現(xiàn)象的初步研究Preliminary Study of the Phenomenon of High Current Proton Linear Accelerator Beam Halo28摘 要帶電粒子加速器是產(chǎn)生各種轟擊原子核的核炮彈裝置 ,用以實(shí)現(xiàn)各種核反應(yīng)及其多種應(yīng)用。從二十世紀(jì) 40 年代誕生以來(lái) ,它就是探索原子核奧秘的最重要手段 ,極大地推動(dòng)了原子能和近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。本文從能源問(wèn)題出發(fā)，說(shuō)明核能源利用對(duì)未來(lái)人類發(fā)展的重要作用，引出使核利用更加安全、干凈和便宜的放射性潔凈核能系統(tǒng)（ADS）。束暈混沌現(xiàn)象不僅引起束流的損失，制約著束流功率的提高，而且導(dǎo)致放射性劑量超標(biāo)和結(jié)構(gòu)元件損壞等不良后果，對(duì)環(huán)境和人身安全造成極大的危害。因此，對(duì)束暈混沌形成機(jī)制的研究有著重要的理論和實(shí)際意義。最后，以束核粒子模型（KV初始分布方程）為例，對(duì)滿足KV初始分布的粒子在周期聚焦通道中的傳輸動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明非線性共振和混沌在失匹配束或多粒子束傳輸中有重要作用，直接導(dǎo)致了束暈的發(fā)生。大量使用石油和天然氣對(duì)地球氣候產(chǎn)生負(fù)面影響，如：地球氣候變暖引發(fā)暴風(fēng)、洪水、干旱等，過(guò)去10年世界多數(shù)國(guó)家已面臨這些自然災(zāi)害，而地球氣候變暖的主要原因就是大量使用化石燃料所致。鑒于此，世界多數(shù)國(guó)家都傾向使用即節(jié)能又清潔的新能源，如：太陽(yáng)能、風(fēng)力發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等這些都是取之不盡，用之不竭的清潔能源。此外，使用太陽(yáng)能、風(fēng)力產(chǎn)電、地?zé)岙a(chǎn)電等能源還要受地理位置和季節(jié)的限制，因此，在這類能源資源方面大量投資只能收到一半效益，而非全部。核技術(shù)的使用范圍很廣，如果正確使用核技術(shù)，無(wú)疑它將會(huì)造福于人類。國(guó)際上大力發(fā)展核電和核供熱已經(jīng)成為許多國(guó)家的重要國(guó)策。有了核電 ,不僅可以使人們的生活得到改善 ,而且將使人類進(jìn)入一個(gè)協(xié)調(diào)的不斷進(jìn)步的新時(shí)代。不過(guò)目前裂變核能也存在一些弊端，主要的問(wèn)題在于:一是鈾資源利用率低 ,工業(yè)核電站中只利用占天然鈾的0. 724 %的易裂變核燃料鈾 235 ,而含量占 99. 274 %的鈾 238 卻無(wú)法利用。換句話說(shuō) ,裂變核電對(duì)99 %的天然鈾未能加以利用 ,這對(duì)自然界中本來(lái)就稀少的鈾資源 ,無(wú)疑是一個(gè)極大的浪費(fèi)。二是 ,核廢料后處理問(wèn)題。它們大多數(shù)是長(zhǎng)半衰期的放射性核素 ,有些半衰期長(zhǎng)達(dá)百萬(wàn)年以上 ,形成對(duì)生物圈的潛在危害 ,而目前國(guó)內(nèi)外尚未妥善解決后處理技術(shù)問(wèn)題。如果發(fā)展快中子堆和混合堆,雖然可以將全部鈾 238和釷 232轉(zhuǎn)化為易裂變的核燃料钚 239和釷 233 ,可以提供104太瓦年的能量,可供人類用幾百年,但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)談何容易。據(jù)估計(jì)要實(shí)現(xiàn)它們,恐怕是 21 世紀(jì)中后葉的事情了。ADS的基本思想是:利用強(qiáng)流質(zhì)子加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束與靶相互作用 ,產(chǎn)生大量快中子以驅(qū)動(dòng)次臨界反應(yīng)堆來(lái)獲得能量增益。但是它對(duì)加速器的要求比現(xiàn)有的加速器超過(guò)數(shù)十至上百倍，面臨著諸多科學(xué)、技術(shù)與工程等方面的空前挑戰(zhàn)。例如它對(duì)強(qiáng)流中能質(zhì)子加速器的要求是 ,質(zhì)子流高達(dá) 10～250 mA ,～ GeV ,束損率必須小于105～108/m。近年來(lái)，許多國(guó)家和實(shí)驗(yàn)室都提出并開(kāi)始著手實(shí)施高能強(qiáng)流質(zhì)子加速器的研究發(fā)展計(jì)劃，美國(guó)、俄羅斯、日本、歐洲各種強(qiáng)流質(zhì)子加速器方案紛紛提出?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)和理論 （美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Jameson和馬里蘭大學(xué)的 Kehne等人先后在實(shí)驗(yàn)中觀察到束暈的存在）已經(jīng)都發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)流質(zhì)子流產(chǎn)生了特有的束暈混沌現(xiàn)象 ,即在高密度束核的外圍彌漫著許多粒子 ,它們是一種復(fù)雜的時(shí)空混沌運(yùn)動(dòng) ,統(tǒng)稱束暈混沌現(xiàn)象。例如 , 在加速器中具有 1 Gev 的 1 nA/ m 質(zhì)子束打到器壁上 ,則在加速器關(guān)閉一小時(shí)之后 , 就可產(chǎn)生大大超標(biāo)的放射性劑量 :在距離加速器 30 Cm 處 , 就有高達(dá) 20 mRem/ hr 放射性劑量 , 這就會(huì)給環(huán)境和人身的安全造成極大的危害。 因此，必須深入研究這類束暈混沌的特性及其產(chǎn)生物理機(jī)制 ，提出一套有效設(shè)計(jì)新型強(qiáng)流加速器的方法，這樣才能確保加速器周圍環(huán)境與人身的安全 ,真正達(dá)到安全高效地利用潔凈核能。ADS是實(shí)現(xiàn)清潔核能的裝置，但其關(guān)鍵設(shè)備強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器中會(huì)產(chǎn)生束暈現(xiàn)象，不但影響加速器的性能，還會(huì)產(chǎn)生放射性物質(zhì)，因而提出了研究束暈現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)制以為其控制提供依據(jù)的科學(xué)難題；接著回顧了以往的科研工作者研究束暈混沌的方法和對(duì)束暈混沌產(chǎn)生機(jī)制研究成果，最后著重研究了KV分布周期聚焦磁場(chǎng)通道下束暈混沌系統(tǒng)的特性，深入分析了幾個(gè)有代表性的系統(tǒng)參數(shù)。目前在束暈的理論研究中, 主要采用了束核試驗(yàn)粒子模型、 半解析的參量共振分析法、 FokkerPlanckPoisson 模型以及 P IC 粒子模擬的方法。 束核試驗(yàn)粒子模型的基本思想是用考慮空間電荷效應(yīng)的包絡(luò)方程描述束核的集體運(yùn)動(dòng), 而選取試驗(yàn)粒子來(lái)描述束暈的形成。 顯然, 由于束核外圍粒子所占比例不大, 這樣做是合理的。[10]中，對(duì)均勻聚焦系統(tǒng)聯(lián)立求解了單粒子運(yùn)動(dòng)方程與束流包絡(luò)方程，分析了失匹配情況下，束流中粒子的混沌運(yùn)動(dòng)與束暈的形成。束暈混沌領(lǐng)域研究已經(jīng)取得的主要成就包括一下六個(gè)方面：(1)引入均方根發(fā)射度概念；(2)束暈混沌的形成及其演化機(jī)制的探索；(3)發(fā)射度增大現(xiàn)象的研究；(4)束流強(qiáng)度的限制；(5)KV均勻分布束的穩(wěn)定性分析；(6)束包絡(luò)方程的成功推導(dǎo)。這是因?yàn)橐环矫?，KV分布屬于空間均勻分布，其模型構(gòu)造相對(duì)比較簡(jiǎn)單，便于進(jìn)行研究；更重要的是，研究KV均勻分布粒子束得出的束暈混沌的產(chǎn)生機(jī)制及控制方法，在大多數(shù)情況下同樣適用于其它非均勻分布束?，F(xiàn)在我們得到一些共識(shí)：對(duì)于空間電荷占主導(dǎo)地位的束流 ,在均勻聚焦的傳輸管道里 ,初始束流的 root2mean2square(rms)失配是束暈形成的一個(gè)重要原因 。混沌粒子運(yùn)動(dòng)和發(fā)生在束核粒子所占有的相空間邊界附近的非線性共振 ,更是匹配束產(chǎn)生束暈的重要機(jī)制。rms 匹配束的束暈比失配束相對(duì)要微弱些。其中前6種是從宏觀方面的角度討論束暈混沌產(chǎn)生的物理機(jī)制，而量子混沌是從微觀角度討論其產(chǎn)生機(jī)制。 粒子束核相互作用當(dāng)一個(gè)強(qiáng)流粒子束通過(guò)周期螺線管聚焦場(chǎng)Br，s傳播，其包絡(luò)振動(dòng)可以用公式(21)近似描述。周期函數(shù)描述聚焦場(chǎng)的強(qiáng)度，其中是磁場(chǎng)的軸分量，S是聚焦場(chǎng)的基本周期長(zhǎng)度，和分別是粒子電量和靜止質(zhì)量，是