ИЗМЕРЕНИЕ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПОВОРОТНЫХ МАГНИТОВ
|
АННОТАЦИЯ 12
РЕФЕРАТ 13
ВВЕДЕНИЕ 14
1. Основы теории магнитного поля 16
1.1. Постоянные магниты и их свойства 16
1.2. Методы измерения магнитного поля 21
2. Измерение магнитного поля поворотных магнитов 26
2.1. Описание экспериментальной установки 26
2.2. Результаты измерения магнитного поля 30
3. Численное моделирование магнитного поля 36
3.1. Программное обеспечение для моделирования магнитного поля 36
3.2. Численное моделирование в Radia 39
Заключение 56
Вывод 56
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 58
4.1. Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 59
4.1.1. Потенциальные потребители результатов исследования 59
4.1.2. Анализ конкурентных технических решений 60
4.1.3. SWOT-анализ 62
4.2. Планирование научно-исследовательских работ 66
4.2.1. Структура работ в рамках научного исследования 66
4.2.2. Определение трудоемкости выполнения работ 68
4.2.3. Разработка графика проведения научного исследования 70
4.2.4. Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 73
4.2.5. Расчет материальных затрат НТИ 73
4.2.6. Основная заработная плата исполнителей темы 75
4.2.7. Дополнительная заработная плата исполнителей темы 77
4.2.8. Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) ... 77
4.2.9. Затраты на научные и производственные командировки 79
4.2.10. Контрагентные расходы 79
4.2.11. Накладные расходы 80
4.2.12. Формирование бюджета затрат научно-исследовательского
проекта 81
4.3. Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования . 81
5. Социальная ответственность 84
5.1. Анализ опасных и вредных факторов 85
5.2. Обоснование и разработка мероприятий по снижению уровней
опасного и вредного воздействия и устранению их влияния при работе на ПЭВМ 86
5.2.1. Организационные мероприятия 86
5.2.2. Технические мероприятия 87
5.2.3. Условия безопасной работы 89
5.3. Электробезопасность 91
5.4. Противопожарная безопасность 93
Список используемой литературы 96
Приложение А 100
Моделирование магнитного поля вигглера на ускорителе LUCX в программе
Radia 100
Описание вигглера 101
Результаты моделирования 102
Сравнение методов моделирования 105
Заключение 106
Список литературы 108
РЕФЕРАТ 13
ВВЕДЕНИЕ 14
1. Основы теории магнитного поля 16
1.1. Постоянные магниты и их свойства 16
1.2. Методы измерения магнитного поля 21
2. Измерение магнитного поля поворотных магнитов 26
2.1. Описание экспериментальной установки 26
2.2. Результаты измерения магнитного поля 30
3. Численное моделирование магнитного поля 36
3.1. Программное обеспечение для моделирования магнитного поля 36
3.2. Численное моделирование в Radia 39
Заключение 56
Вывод 56
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 58
4.1. Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 59
4.1.1. Потенциальные потребители результатов исследования 59
4.1.2. Анализ конкурентных технических решений 60
4.1.3. SWOT-анализ 62
4.2. Планирование научно-исследовательских работ 66
4.2.1. Структура работ в рамках научного исследования 66
4.2.2. Определение трудоемкости выполнения работ 68
4.2.3. Разработка графика проведения научного исследования 70
4.2.4. Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 73
4.2.5. Расчет материальных затрат НТИ 73
4.2.6. Основная заработная плата исполнителей темы 75
4.2.7. Дополнительная заработная плата исполнителей темы 77
4.2.8. Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) ... 77
4.2.9. Затраты на научные и производственные командировки 79
4.2.10. Контрагентные расходы 79
4.2.11. Накладные расходы 80
4.2.12. Формирование бюджета затрат научно-исследовательского
проекта 81
4.3. Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования . 81
5. Социальная ответственность 84
5.1. Анализ опасных и вредных факторов 85
5.2. Обоснование и разработка мероприятий по снижению уровней
опасного и вредного воздействия и устранению их влияния при работе на ПЭВМ 86
5.2.1. Организационные мероприятия 86
5.2.2. Технические мероприятия 87
5.2.3. Условия безопасной работы 89
5.3. Электробезопасность 91
5.4. Противопожарная безопасность 93
Список используемой литературы 96
Приложение А 100
Моделирование магнитного поля вигглера на ускорителе LUCX в программе
Radia 100
Описание вигглера 101
Результаты моделирования 102
Сравнение методов моделирования 105
Заключение 106
Список литературы 108
Основным инструментом современной экспериментальной физики атомного ядра и элементарных частиц более полувека служат ускорители заряженных частиц.
При движении с релятивистскими скоростями по искривлённым в магнитном поле траекториям заряженные частицы испускают электромагнитное излучение - синхротронное излучение (СИ). Синхротронное излучение обладает рядом уникальных свойств, определяющих его большое практическое значение: непрерывный спектр излучения от инфракрасного до рентгеновского; малая угловая расходимость испускаемого излучения; линейная поляризация с электрическим вектором и т.д. [1]. Благодаря этим уникальным свойствам, синхротронное излучение широко используется для исследований в атомной физике, материаловедении, химии, биологии и медицине [2].
Развитие новых источников синхротронного излучения ставит задачи по проектированию и созданию новых магнитных устройств [3]. Так же строительство новых ускорителей, как для научных, так и прикладных целей, так же требует решение задач связанных с созданием различных магнитных устройств, соответствующих необходимым параметрам пучка. В связи с тем, что ускорители являются достаточно дорогими установками, одним из основных методов, используемых при проектировании и создании магнитных систем, является математическое моделирование.
Расчет магнитных систем ускорителей - достаточно сложная задача математической физики, требующая математических исследований при разработке численных методов, эффективных программных реализаций, а также больших ресурсов вычислительных машин. Математическое моделирование дает возможность резко уменьшить время анализа поля в магните выбранной конфигурации, повысить точность, сократить стоимость и такого анализа, и самого магнита, так как непосредственное измерение самого магнитного поля является трудоемкой и дорогостоящей проблемой. Наряду с этим, математическое моделирование позволяет исследовать и те части конструкции магнита, измерения в которых крайне затруднительны или даже невозможны (например, распределение индукции в магнитопроводе традиционных магнитов), но распределение поля в этих частях сказывается существенным образом на характеристиках и работе магнита [4].
В конечном счете, только математическое моделирование магнитной системы позволяет сделать выбор оптимальной конструкции магнита в каждом конкретном случае. Основной (и очень важной) характеристикой решения, получаемого в результате моделирования, является его точность.
При движении с релятивистскими скоростями по искривлённым в магнитном поле траекториям заряженные частицы испускают электромагнитное излучение - синхротронное излучение (СИ). Синхротронное излучение обладает рядом уникальных свойств, определяющих его большое практическое значение: непрерывный спектр излучения от инфракрасного до рентгеновского; малая угловая расходимость испускаемого излучения; линейная поляризация с электрическим вектором и т.д. [1]. Благодаря этим уникальным свойствам, синхротронное излучение широко используется для исследований в атомной физике, материаловедении, химии, биологии и медицине [2].
Развитие новых источников синхротронного излучения ставит задачи по проектированию и созданию новых магнитных устройств [3]. Так же строительство новых ускорителей, как для научных, так и прикладных целей, так же требует решение задач связанных с созданием различных магнитных устройств, соответствующих необходимым параметрам пучка. В связи с тем, что ускорители являются достаточно дорогими установками, одним из основных методов, используемых при проектировании и создании магнитных систем, является математическое моделирование.
Расчет магнитных систем ускорителей - достаточно сложная задача математической физики, требующая математических исследований при разработке численных методов, эффективных программных реализаций, а также больших ресурсов вычислительных машин. Математическое моделирование дает возможность резко уменьшить время анализа поля в магните выбранной конфигурации, повысить точность, сократить стоимость и такого анализа, и самого магнита, так как непосредственное измерение самого магнитного поля является трудоемкой и дорогостоящей проблемой. Наряду с этим, математическое моделирование позволяет исследовать и те части конструкции магнита, измерения в которых крайне затруднительны или даже невозможны (например, распределение индукции в магнитопроводе традиционных магнитов), но распределение поля в этих частях сказывается существенным образом на характеристиках и работе магнита [4].
В конечном счете, только математическое моделирование магнитной системы позволяет сделать выбор оптимальной конструкции магнита в каждом конкретном случае. Основной (и очень важной) характеристикой решения, получаемого в результате моделирования, является его точность.
Таким образом, можно заключить, что построена модель вигглера ускорителя LUCX, позволяющая рассчитать характеристики магнитного поля вигглера в зависимости от следующих параметров его геометрии: ширина зазора, углы поворота относительно траектории пучка. Также на основе функционала Radia достаточно легко можно смещать вигглер относительно траектории пучка.
Магнитное поле не симметрично относительно плоскости YZ, что обусловлено геометрией магнитов вигглера. Величина магнитного поля изменяется по экспоненциальному закону при изменении ширины зазора. При изменении величины магнитного поля (Вх) в диапазоне от 0.09 до 0.432 Т фундаментальная частота ондуляторного излучения изменяется от 14.5 до 4 ТГц.
В большей степени на величину магнитного поля вдоль траектории пучка влияет неточность при юстировке положения вигглера для углов поворота вдоль оси Y. Неточности в настройке при поворотах вдоль осей X и Z заметным образом не влияют на поле вдоль траектории пучка. При повороте вигглера относительно осей X, Y, Z на угол меньше чем 0.5 градусов приводит к изменению магнитного поля (Вх) не более чем на 1%.
Величина магнитного поля (Вх), полученная в Radia на основе метода граничных элементов, согласуется с точностью около 2% с результатами, полученными в Femm на основе метода конечных элементов. Однако расчеты предпочтительнее проводить в Radia в силу более широкого спектра её возможностей.
В дальнейшем планируется провести моделирование траектории электронов [8], проходящих через вигглер, при различных точках влёта частиц, что возможно с помощью функционала Radia.
Магнитное поле не симметрично относительно плоскости YZ, что обусловлено геометрией магнитов вигглера. Величина магнитного поля изменяется по экспоненциальному закону при изменении ширины зазора. При изменении величины магнитного поля (Вх) в диапазоне от 0.09 до 0.432 Т фундаментальная частота ондуляторного излучения изменяется от 14.5 до 4 ТГц.
В большей степени на величину магнитного поля вдоль траектории пучка влияет неточность при юстировке положения вигглера для углов поворота вдоль оси Y. Неточности в настройке при поворотах вдоль осей X и Z заметным образом не влияют на поле вдоль траектории пучка. При повороте вигглера относительно осей X, Y, Z на угол меньше чем 0.5 градусов приводит к изменению магнитного поля (Вх) не более чем на 1%.
Величина магнитного поля (Вх), полученная в Radia на основе метода граничных элементов, согласуется с точностью около 2% с результатами, полученными в Femm на основе метода конечных элементов. Однако расчеты предпочтительнее проводить в Radia в силу более широкого спектра её возможностей.
В дальнейшем планируется провести моделирование траектории электронов [8], проходящих через вигглер, при различных точках влёта частиц, что возможно с помощью функционала Radia.
Подобные работы
- ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ УМЕРЕННО РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭНЕРГИЙ В ПОВОРОТНЫХ МАГНИТАХ
Бакалаврская работа, физика. Язык работы: Русский. Цена: 5900 р. Год сдачи: 2016