微动粒子群优化算法用于Egun的多参量优化

第22卷第12期2010年12月

强激光与粒子束H 1G H PO W E R I 。A SE R A N D PA R T I C L E B E A M S V 01．22，N o ．12

D ec ．，2010文章编号：1001—4322(2010)12—2940—05

微动粒子群优化算法用于

Egun 的多参量优化’范俊杰，

张兆传(中国科学院，电子学研究所高功率微波源与技术重点实验室，北京100190)摘要：针对2维电子光学多参量优化问题，采用微动粒子群优化算法。在给出目标电子轨迹和优化范

围的前提下，可以得到趋近于该电子轨迹的真空边界和聚束磁结构。该算法分为前后两阶段：第一阶段采用前

后试探法(微动)。同时参照最优粒子的信息；第二阶段采用标准粒子群优化算法。针对涉及多个相关参量的电

子光学设计问题，标准粒子群优化算法仅能保证以较高概率收敛到局部最佳解，而微动粒子群优化算法能以较

高概率收敛到全局最佳解。并且展现了多核计算机在电子光学设计上的潜力。初步的软件试验显示：消耗人类

工程师几周时间的电子光学设计问题，用微动粒子群算法在普通个人计算机上几十小时就能完成。

关键词：微动粒子群优化算法；微动；

电子轨迹；多参量优化中图分类号：T N l 02文献标志码：A doi ：l O ．3788／H P L PB 20102212．1940

很多电真空项目都需要配置电子轨迹[1]；在设计中，电子轨迹往往非常敏感，而且任何结构尺寸的改变都会影响多处电子轨迹，且结构参量间的相关性很高。从一套结构参数计算出电子轨迹较为容易[2。3]，但是从一定的电子轨迹逆向求出一套结构参数比较困难。研究人员一直很关注用什么样的实际物理结构产生出所需的电子轨迹，以及怎样用多参量优化算法来寻找全局最佳解。印度中央电子工程研究学院(C EE R I )首先将自动化引入Egun 电子光学设计软件，编制的P i er c e 电子光学设计软件A PG D [43采用随机优化技术，只需要输入电压、电流、束腰半径等基本参数，就能得到电子枪各电极的尺寸。德国CST 公司也开始将标准粒子群算法、遗传算法等用于通用电磁软件C ST 。不过，这些优化方法无法保证结果收敛到全局最佳解。本文将微动粒子群优化算法[51用于E gun ，力求在逆向设计中以较高概率找到全局最佳解。

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理论分析1．1Egun 简介与优化目标

Egun 是用于计算2维静电场和静磁场中带电粒子轨迹的专业软件，由美国学者在20世纪60至80年代开发[3]。由于E gun 在设计Pi er ce 电子枪等领域中比较成功，至今在微波器件、等离子体物理、高能物理等学科中仍然经常使用。对于普通的P i er ce 电子枪，用Egun 一般几分钟内就能算出电子轨迹；如果采用2维静磁场计算软件C T A W [611来为Egun 提供磁场数据，它一般1m i n 内就能算出轴上的磁感应强度。优化设计电子轨迹，需要反复调用Egun 和C TA W 。在构成真空边界和聚焦磁结构的要素中，尺寸参量一般多达几十个，假设其中10个需要优化，给出优化范围并在所有范围中都均匀抽取20个样点，如果采用遍历择优的方法，需要调用Egun 和C TA W 总计2010次，这在运算时间上变得不可接受，必须想办法将指数降幂。

图1是2维电子光学软件Egun 针对某旋转轴对称结构计算的电子轨迹(包含轴上轴向磁感应强度B ：的分布和结构信息)。计算出的电子轨迹有很多

条，以最外缘的电子轨迹为例。设定目标轨迹

为t 。-(即预期的电子轨迹外缘)，为了度量每

次改变结构或电流计算出来的电子轨迹外缘

丁。。。与目标电子轨迹Tg 鼬l 的差异，定义离散度

函数

÷!!型堕二!鲤!塑!

鲁T 。。。l (i )D =!=!!：：：

F i g ．1Typi cal el ect ron t ra je ct ori es

and cor r es pondi ng s t ruc t ure s 图1典型电子轨迹及结构群

-收稿日期：2009—12—27；修订日期：2010—06—09

作者简介：范俊杰(1975一)．男。硕士．高级工程师，从事高功率速调管的研究,j j f an@m ai l ．i e ．ac ．cn

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