鼻锥型谐振腔几何结构的优化方法、计算机可读存储介质、电子设备技术

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，本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术的技术方案是：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RshT2和最大表面场强Emax；几何参数包括腔半径r、间隙g、鼻锥倾角t和外圆弧半径ro。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；步骤2.2基于目标函数/约束函数关于多个变量的一元多项式拟合函数，忽略不同变量之间的耦合关系，以多元多项式函数形式，将鼻锥型谐振腔的几何参数依次作为变量，构造每个高频参数/谐振频率关于所有几何参数的近似多变量函数，从而获得目标函数/约束函数关于决策变量的近似函数表达式；所述近似多变量函数的定义域为每个变量的取值范围在变量空间中围成的一个区域。进一步地，步骤3构造判据函数的方法采用权重和法、效用函数法或者遗传算法。本专利技术同时提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特殊之处在于：所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。进一步地，所述计算机程序采用MATLAB语言编写。本专利技术还提供了一种电子设备，其特殊之处在于，所述电子设备包括：处理器；计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器运行时执行上述方法的步骤。与现有技术相比，本专利技术的优点：1、本专利技术将鼻锥型谐振腔几何结构优化问题转换成了一个多目标多变量优化数学问题，然后通过多目标优化的判据函数确定鼻锥型谐振腔几何参数最优解，从而确定最优几何参数组合，保证了优化结果的客观性。2、本专利技术提供的优化方法能通过计算机程序实现，进而实现了鼻锥型谐振腔优化过程的自动化，显著提高了优化效率。附图说明图1为本专利技术的优化方法流程图。图2为本专利技术计算机程序执行流程图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作详细说明。本专利技术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取值范围内，基于鼻锥型谐振腔高频参数与主要几何参数关系的仿真分析结果，建立高频参数(目标函数)关于几何参数(决策变量)的近似多变量函数，以及约束函数关于决策变量的近似多变量函数；基于多目标优化算法构建判据函数，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解，即最优几何参数组合。以上述方法为基础，本专利技术用MATLAB语言编写了相应的优化程序，该优化程序具体包括以下四个步骤：步骤一、确定目标函数、约束条件及决策变量将鼻锥型谐振腔的几何参数，如腔半径r、间隙g、鼻锥倾角t、外圆弧半径ro等作为决策变量；将品质因数Q、有效分路阻抗RshT2(简写为R)和最大表面场强Emax(通常用归一化因子b表示)等高频参数作为目标函数。优化的目标在于，应使Q、R尽可能被增大，以提高鼻锥型谐振腔的能量利用效率；使b尽可能被减小，以降低腔内发生高频击穿(打火)的概率，其中R、b的值与散束器或聚束器的工作参数设定频率fset、束流能量Ebeam、有效间隙电压V0T有关。从而把鼻锥型谐振腔几何结构优化问题抽象为一个多目标多变量优化数学问题。同时，将谐振频率f作为约束函数，优化中应保持谐振频率f与工作参数设定频率fset一致，约束条件为f＝fset。这就对决策变量取值施加了一个约束，即减少了一个自由变量。步骤二、构造目标函数、约束函数关于决策变量的近似函数表达式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。变量的取值范围应至少涵盖常见的鼻锥型谐振腔几何参数取值。基于目标函数关于多个变量的一元多项式拟合函数，忽略不同变量之间的耦合关系，以多元多项式函数形式，构造每个高频参数/谐振频率关于所有几何参数的近似多变量函数，从而获得目标函数、约束函数关于决策变量的近似表达式。近似多变量函数的定义域为每个变量的取值范围在变量空间中围成的一个区域。步骤三、构造判据函数由于多目标优化问题包含多个目标，无法直接确定唯一的最优解，因而需要通过定义判据函数，将多目标问题转化为单值问题。目前已有的权重和法、效用函数法以及遗传算法等多种多目标优化算法可解决上述问题。以权重和方法为例，将所有目标函数的权重和作为判据函数P：P＝kQQ+kRR-kbb其中，权重kQ、kR、kb分别表示品质因数、有效分路阻抗和最大表面场强在优化中的受偏重程度，权值可根据实际需求调整。kb前符号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.鼻锥型谐振腔几何结构的优化方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.鼻锥型谐振腔几何结构的优化方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的鼻锥型谐振腔几何结构的优化方法，其特征在于：步骤1中所述的高频参数包括品质因数Q、有效分路阻抗RshT2和最大表面场强Emax；几何参数包括腔半径r、间隙g、鼻锥倾角t和外圆弧半径ro。3.根据权利要求1所述的鼻锥型谐振腔几何结构的优化方法，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘卧龙，丛培天，郑曙昕，王忠明，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61