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目次
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《回旋加速器虛擬樣機技術》凝結了作者近年來在回旋加速器虛擬樣機技術等方面的科研成果和經驗，參考了國內外相關最新研究成果，全面論述了虛擬樣機這一新的信息技術在回旋加速器理論與工程中的應用。首先介紹回旋加速器的基本原理、發展歷史、應用領域，引出回旋加速器虛擬樣機體系；以加速器電磁場理論與流動力學為基礎，以虛擬樣機技術和數值模擬手段為主要方法，系統介紹虛擬樣機環境下的回旋加速器各個部件的設計、驗證與工程實現方法，包括主磁鐵設計、束流動力學分析、高頻腔設計、虛擬建模技術、虛擬控制技術和虛擬樣機集成技術。
作者簡介
樊明武，院士，1965年畢業於華中工學院（現華中科技大學）電機製造專業。同年分配到中國原子能科學研究院從事回旋加速器的研究。多次應邀工作于美、英、法等國著名研究所。在中國原子能科學研究院30MeV強流質子回旋加速器研製中，解決了關鍵設備技術問題，使該加速器達到20世紀90年代國際先進水平。該加速器被兩院院士投票評選為1996年全國十大科技事件之一，這一事件結束了我國不能用加速器批量生產中短壽命放射性同位素的局面，標誌我國回旋加速器的研製能力達到一個新水平。1999年當選中國工程院院士。曾任中國原子能科學研究院院長、華中科技大學校長。現任中國科協常委、湖北省科協主席、國務院學位委員會委員、湖北省政府參事等職。
研究領域主要為回旋加速器理論、工程及其虛擬樣機技術。先後主持並完成了多項國家自然科學基金、國防基礎研究基金及省部級科研基金項目。獲國家級科技進步獎2項，省部級科技進步獎11項，在國內外重要學術刊物和學術會議上發表論文80餘篇、專著2本。
研究領域主要為回旋加速器理論、工程及其虛擬樣機技術。先後主持並完成了多項國家自然科學基金、國防基礎研究基金及省部級科研基金項目。獲國家級科技進步獎2項，省部級科技進步獎11項，在國內外重要學術刊物和學術會議上發表論文80餘篇、專著2本。
名人/編輯推薦
《回旋加速器虛擬樣機技術》由湖北科學技術出版。
目次
總序
本書序
前言
第1章 緒論
1.1 回旋加速器概述
1.1.1 均勻場回旋加速器原理
1.1.2 滑相與磁場等時性概念
1.1.3 等時性回旋加速器
1.1.4 靜電引出與剝離引出
1.2 數值模擬與虛擬樣機概念
1.2.1 物理過程的數值模擬
1.2.2 從CAD／CAE／CAM到虛擬樣機技術
1.2.3 增強現實分布式計算環境
1.2.4 專家數據庫
1.2.5 虛擬樣機流程
1.3 虛擬樣機技術在回旋加速器研發中的作用
1.3.1 早期回旋加速器的部件模擬實驗
1.3.2 數值模擬加速了回旋加速器的研發進程
1.3.3 虛擬樣機技術改變著傳統的設計模式
1.4 回旋加速器在國民經濟中的應用
1.4.1 中短壽命放射性同位素生產
1.4.2 正電子斷層照相
1.4.3 質子治療
1.4.4 加速器驅動次臨界系統
參考文獻
第2章 電磁場數值計算與磁鐵工程
2.1 磁場數值分析軟件包
2.1.1 電磁場數值計算軟件包的通常結構
2.1.2 電磁場數值計算軟件包簡介
2.2 矢量位與標量位
2.2.1 電磁場的基本方程
2.2.2 矢量位
2.2.3 標量位
2.2.4 雙標量位
2.3 微分方程法和積分方程法
2.3.1 有限單元法
2.3.2 積分方程法
2.3.3 微分方程法與積分方程法的應用範圍
2.4 回旋加速器主磁鐵設計的基本思路
2.4.1 基本尺寸的確定
2.4.2 調變度的確定
2.5 基於ANSYS的回旋加速器磁場計算
2.5.1 二維磁場計算
2.5.2 三維磁場計算
2.5.3 基於APDL語言程序設計
參考文獻
第3章 回旋加速器束流動力學理論及其計算
3.1 回旋加速器中粒子的橫向線形運動
3.1.1 橫向運動的穩定性
3.1.2 橫向線性運動方程及其分段解與閉合解
3.1.3 Courant-Snyder參數
3.1.4 橫向自由振盪頻率及其近似解
3.1.5 束流相空間、發射度與劉維定理
3.2 回旋加速器中粒子的加速
3.2.1 動量發散與偏離動量軌道
3.2.2 回旋加速器中的滑相
3.2.3 等時性回旋加速器的磁場分佈和滑相計算
3.3 基於虛擬樣機的束流動力學分析與磁鐵優化
3.3.1 基於磁場諧波分析的平衡軌道計算方法
3.3.2 基於數值積分的平衡軌道計算方法
3.3.3 橫向振盪頻率的計算
3.3.4 徑向與軸向共振的避免
3.3.5 滑相計算和磁鐵優化
3.3.6 基於虛擬樣機的束流動力學分析實例：CYCIAE100中心區試驗台架磁場測量與束流動力學分析
3.3.7 基於虛擬樣機的磁鐵優化實例：16MeV負氫緊湊型回旋加速器主磁鐵設計
3.4 粒子束跟蹤與可視化
3.4.1 粒子運動方程及數值積分跟蹤方法
3.4.2 單粒子及未考慮空間電荷效應的粒子束跟蹤
3.4.3 三維環境下的粒子運動仿真
參考文獻
第4章 回旋加速器高頻諧振腔的設計與仿真
4.1 回旋加速器高頻系統簡介
4.1.1 早期回旋加速器的高頻系統
4.1.2 扇形聚焦回旋加速器的高頻系統
4.2 諧振腔工作原理與基本分析方法
4.2.1 諧振腔工作原理
4.2.2 諧振腔基本分析方法
4.3 同軸諧振腔分析
4.3.1 解析方法
4.3.2 等效電路方法
4.4 回旋加速器諧振腔數值分析
4.4.1 CYCIAE30回旋加速器諧振腔有限元分析
4.4.2 9.6MeV醫用回旋加速器諧振腔有限元分析
4.4.3 CYCIAE100回旋加速器中心區試驗台架諧振腔有限元分析與測量結果的比較
4.4.4 CYCIAE100回旋加速器諧振腔有限元分析
4.4.5 數值分析中的幾個技術問題
參考文獻
第5章 虛擬樣機建模與機械分析
5.1 回旋加速器結構特點
5.1.1 CYCIAE30磁鐵
5.1.2 CYCIAE30高頻系統
5.1.3 CYCIAE30離子源及軸向注入系統
5.1.4 CYCIAE30的引出系統
5.1.5 CYCIAE30真空、水冷系統
5.2 虛擬樣機模型
5.2.1 虛擬樣機模型特點
5.2.2 幾何建模技術
5.2.3 三維實體建模技術
5.2.4 參數化建模
5.2.5 基於特徵的建模
5.2.6 虛擬環境下的幾何建模
5.2.7 回旋加速器建模應用舉例
5.3 虛擬裝配仿真
5.3.1 裝配建模
5.3.2 裝配仿真
5.4 機械設計分析
5.4.1 機械誤差對加速器性能的影響
5.4.2 應力形變對結構的影響
5.4.3 工程藍圖生成
5.4.4 數字模型的共享
參考文獻
第6章 回旋加速器虛擬控制技術
6.1 加速器控制系統簡介
6.1.1 加速器控制系統的需求
6.1.2 加速器常用控制軟件包
6.2 基於面向對象的CVCC系統框架及人機界面設計
6.2.1 面向對象與可重用技術簡介
6.2.2 CVCC的需求分析
6.2.3 CVCC概念模型
6.2.4 基於MVC模式的CVCC框架設計
6.2.5 人機界面構造
6.2.6 加速器控制系統建模與仿真
6.3 基於有限狀態機的回旋加速器順序控制仿真
6.3.1 加速器順序控制系統
6.3.2 回旋加速器順序控制與連鎖系統的模型分析
6.3.3 基於Stateflowr的回旋加速器順序控制建模與仿真
6.4 使用Simulink和Real-time Workshop的連續控制仿真與代碼集成
6.4.1 Simulink簡介
6.4.2 RTW代碼生成、編譯與集成
參考文獻
第7章 基於混合編程的虛擬樣機集成平臺
7.1 虛擬樣機集成平臺的需求和集成工具的選擇
7.1.1 虛擬樣機平臺的體系結構和需求分析
7.1.2 集成平臺方案關鍵元素
7.2 基於混合編程和PytHon的虛擬樣機集成平臺框架設計
7.2.1 基本方案
7.2.2 升級組件
7.3 虛擬樣機集成平臺的實現
參考文獻
後記
本書序
前言
第1章 緒論
1.1 回旋加速器概述
1.1.1 均勻場回旋加速器原理
1.1.2 滑相與磁場等時性概念
1.1.3 等時性回旋加速器
1.1.4 靜電引出與剝離引出
1.2 數值模擬與虛擬樣機概念
1.2.1 物理過程的數值模擬
1.2.2 從CAD／CAE／CAM到虛擬樣機技術
1.2.3 增強現實分布式計算環境
1.2.4 專家數據庫
1.2.5 虛擬樣機流程
1.3 虛擬樣機技術在回旋加速器研發中的作用
1.3.1 早期回旋加速器的部件模擬實驗
1.3.2 數值模擬加速了回旋加速器的研發進程
1.3.3 虛擬樣機技術改變著傳統的設計模式
1.4 回旋加速器在國民經濟中的應用
1.4.1 中短壽命放射性同位素生產
1.4.2 正電子斷層照相
1.4.3 質子治療
1.4.4 加速器驅動次臨界系統
參考文獻
第2章 電磁場數值計算與磁鐵工程
2.1 磁場數值分析軟件包
2.1.1 電磁場數值計算軟件包的通常結構
2.1.2 電磁場數值計算軟件包簡介
2.2 矢量位與標量位
2.2.1 電磁場的基本方程
2.2.2 矢量位
2.2.3 標量位
2.2.4 雙標量位
2.3 微分方程法和積分方程法
2.3.1 有限單元法
2.3.2 積分方程法
2.3.3 微分方程法與積分方程法的應用範圍
2.4 回旋加速器主磁鐵設計的基本思路
2.4.1 基本尺寸的確定
2.4.2 調變度的確定
2.5 基於ANSYS的回旋加速器磁場計算
2.5.1 二維磁場計算
2.5.2 三維磁場計算
2.5.3 基於APDL語言程序設計
參考文獻
第3章 回旋加速器束流動力學理論及其計算
3.1 回旋加速器中粒子的橫向線形運動
3.1.1 橫向運動的穩定性
3.1.2 橫向線性運動方程及其分段解與閉合解
3.1.3 Courant-Snyder參數
3.1.4 橫向自由振盪頻率及其近似解
3.1.5 束流相空間、發射度與劉維定理
3.2 回旋加速器中粒子的加速
3.2.1 動量發散與偏離動量軌道
3.2.2 回旋加速器中的滑相
3.2.3 等時性回旋加速器的磁場分佈和滑相計算
3.3 基於虛擬樣機的束流動力學分析與磁鐵優化
3.3.1 基於磁場諧波分析的平衡軌道計算方法
3.3.2 基於數值積分的平衡軌道計算方法
3.3.3 橫向振盪頻率的計算
3.3.4 徑向與軸向共振的避免
3.3.5 滑相計算和磁鐵優化
3.3.6 基於虛擬樣機的束流動力學分析實例：CYCIAE100中心區試驗台架磁場測量與束流動力學分析
3.3.7 基於虛擬樣機的磁鐵優化實例：16MeV負氫緊湊型回旋加速器主磁鐵設計
3.4 粒子束跟蹤與可視化
3.4.1 粒子運動方程及數值積分跟蹤方法
3.4.2 單粒子及未考慮空間電荷效應的粒子束跟蹤
3.4.3 三維環境下的粒子運動仿真
參考文獻
第4章 回旋加速器高頻諧振腔的設計與仿真
4.1 回旋加速器高頻系統簡介
4.1.1 早期回旋加速器的高頻系統
4.1.2 扇形聚焦回旋加速器的高頻系統
4.2 諧振腔工作原理與基本分析方法
4.2.1 諧振腔工作原理
4.2.2 諧振腔基本分析方法
4.3 同軸諧振腔分析
4.3.1 解析方法
4.3.2 等效電路方法
4.4 回旋加速器諧振腔數值分析
4.4.1 CYCIAE30回旋加速器諧振腔有限元分析
4.4.2 9.6MeV醫用回旋加速器諧振腔有限元分析
4.4.3 CYCIAE100回旋加速器中心區試驗台架諧振腔有限元分析與測量結果的比較
4.4.4 CYCIAE100回旋加速器諧振腔有限元分析
4.4.5 數值分析中的幾個技術問題
參考文獻
第5章 虛擬樣機建模與機械分析
5.1 回旋加速器結構特點
5.1.1 CYCIAE30磁鐵
5.1.2 CYCIAE30高頻系統
5.1.3 CYCIAE30離子源及軸向注入系統
5.1.4 CYCIAE30的引出系統
5.1.5 CYCIAE30真空、水冷系統
5.2 虛擬樣機模型
5.2.1 虛擬樣機模型特點
5.2.2 幾何建模技術
5.2.3 三維實體建模技術
5.2.4 參數化建模
5.2.5 基於特徵的建模
5.2.6 虛擬環境下的幾何建模
5.2.7 回旋加速器建模應用舉例
5.3 虛擬裝配仿真
5.3.1 裝配建模
5.3.2 裝配仿真
5.4 機械設計分析
5.4.1 機械誤差對加速器性能的影響
5.4.2 應力形變對結構的影響
5.4.3 工程藍圖生成
5.4.4 數字模型的共享
參考文獻
第6章 回旋加速器虛擬控制技術
6.1 加速器控制系統簡介
6.1.1 加速器控制系統的需求
6.1.2 加速器常用控制軟件包
6.2 基於面向對象的CVCC系統框架及人機界面設計
6.2.1 面向對象與可重用技術簡介
6.2.2 CVCC的需求分析
6.2.3 CVCC概念模型
6.2.4 基於MVC模式的CVCC框架設計
6.2.5 人機界面構造
6.2.6 加速器控制系統建模與仿真
6.3 基於有限狀態機的回旋加速器順序控制仿真
6.3.1 加速器順序控制系統
6.3.2 回旋加速器順序控制與連鎖系統的模型分析
6.3.3 基於Stateflowr的回旋加速器順序控制建模與仿真
6.4 使用Simulink和Real-time Workshop的連續控制仿真與代碼集成
6.4.1 Simulink簡介
6.4.2 RTW代碼生成、編譯與集成
參考文獻
第7章 基於混合編程的虛擬樣機集成平臺
7.1 虛擬樣機集成平臺的需求和集成工具的選擇
7.1.1 虛擬樣機平臺的體系結構和需求分析
7.1.2 集成平臺方案關鍵元素
7.2 基於混合編程和PytHon的虛擬樣機集成平臺框架設計
7.2.1 基本方案
7.2.2 升級組件
7.3 虛擬樣機集成平臺的實現
參考文獻
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