Коды физики ускорителя

Ускоритель заряженных частиц — это сложная машина, которая берет элементарные заряженные частицы и разгоняет их до очень высоких энергий. Физика ускорителей — это область физики, охватывающая все аспекты, необходимые для проектирования и эксплуатации оборудования, а также для понимания результирующей динамики заряженных частиц. Существуют программные пакеты, связанные с каждой областью. В издании 1990 года Los Alamos Accelerator Code Group [1] приведены сводки более 200 кодов. Некоторые коды используются и сегодня, хотя многие из них устарели. Другой индекс существующих и исторических кодов моделирования ускорителей находится на веб-сайте CERN CARE/HHH. [2]

Коды динамики отдельных частиц

Для многих приложений достаточно отслеживать одну частицу через соответствующие электрические и магнитные поля. Старые коды, которые больше не поддерживаются их первоначальными авторами или домашними учреждениями, включают: BETA, [3] AGS, ALIGN, COMFORT, DESIGN, DIMAD, HARMON, LEGO, LIAR, MAGIC, MARYLIE, PATRICIA, PETROS, RACETRACK, SYNCH, [4] TRANSPORT, TURTLE и UAL. Некоторые устаревшие коды поддерживаются коммерческими организациями для академических, промышленных и медицинских ускорительных установок, которые продолжают использовать эти коды. TRACE 3-D и TURTLE входят в число исторических кодов, которые поддерживаются коммерчески. [5]

Основные поддерживаемые коды включают в себя:

Динамика отдельных частицОтслеживание вращенияКарты ТейлораСлабое-сильное взаимодействие пучка-пучкаОтслеживание электромагнитного поляКоллективные эффекты более высокой энергииЭффекты синхротронного излученияОтслеживание радиацииУэйкфилдсРасширяемыйПримечания
Набор инструментов ускорителя (AT), [6]ДаДа [7]НетНетНетДаНетНетНетДа
АСТРА [8]ДаНетНетНетДаДаНетНетДаНетДля моделирования пространственного заряда
БДСИМ [9]ДаНетНетНетДаНетНетНетНетДаДля моделирования взаимодействия частиц и материи.
Bmad (содержит PTC) [10]ДаДаДаДаДаДаДаДаДаДаВоспроизводит уникальные структуры линий пучка PTC. Имитирует рентгеновские лучи.
УЮТНАЯ БЕСКОНЕЧНОСТЬ [11]ДаДаДаНетДаНетНетНетНетДаДифференциально-алгебраические отображения переноса произвольного порядка
ДИНАК [12]ДаНетНетНетНетНетНетНетНетНет
Элегантный [13]ДаНетНетНетДаДаДаНетДаНет
MAD8 и MAD-X (включая PTC) [14]ДаНетДаДаНетНетДаНетНетНет
MAD-NG [14]ДаНетДаДаНетНетДаНетНетДаРасширяемый, встраивает LuaJIT
МЕРЛИН++ [15] [16]ДаДаНетНетНетНетНетНетДаДаДругое: взаимодействие пучка с веществом, отслеживание срезанных макрочастиц
ОЦЕЛОТ [17]ДаНетНетНетНетДаДаДаДаДа
ОПА [18]ДаНетНетНетНетНетНетНетНетНет
ОПАЛ [19]ДаНетДаНетДаДаНетНетДаДаработает на ноутбуках и на x 10k ядрах.
ПЛАСЕТ [20]ДаНетНетНетНетДаДаНетДаДаLINAC, включая моделирование кильватерных полей.
Пропага [21]ДаНетНетНетНетНетНетНетНетДа
ПТК [22]ДаДаДаДаДаНетНетНетНетДа
САД [23]ДаНетНетДаНетДаДаНетДаНет
СЭММ [24]ДаДаНетНетНетНетНетНетНетНет
SixTrack [25]ДаНетДаДаНетНетНетНетНетНетМожет работать на BOINC
Згуби [26] [27]ДаДаНетНетДаНетДаНетНетДа

Колонны

Отслеживание вращения
Отслеживание спина частицы .
Карты Тейлора
Построение рядов Тейлора отображает высокоуровневые числа, которые можно использовать для моделирования движения частиц, а также для таких целей, как извлечение сил резонанса отдельных частиц.
Слабое-сильное взаимодействие пучка-пучка
Может моделировать взаимодействие пучка с пучком с упрощением, что один пучок по существу фиксирован по размеру. Ниже приведен список кодов сильного-сильного взаимодействия.
Отслеживание электромагнитного поля
Может отслеживать (трассировать луч) частицу через произвольные электромагнитные поля.
Коллективные эффекты высшей энергии
Взаимодействия между частицами в пучке могут иметь важные эффекты на поведение, управление и динамику. Коллективные эффекты принимают различные формы от внутрилучевого рассеяния (IBS), которое является прямым взаимодействием частиц с частицами, до кильватерных полей, которые опосредуются стенкой вакуумной камеры машины, в которой перемещаются частицы. В целом, эффект прямого взаимодействия частиц с частицами меньше в пучках частиц с более высокой энергией. При очень низких энергиях пространственный заряд оказывает большое влияние на пучок частиц и, таким образом, его становится трудно рассчитать. Ниже приведен список программ, которые могут обрабатывать силы пространственного заряда низкой энергии.
Эффекты синхротронного излучения

Может моделировать воздействие синхротронного излучения на отслеживаемые частицы.

Отслеживание радиации
Возможность отслеживания синхротронного излучения (в основном рентгеновского ), создаваемого ускорением заряженных частиц.

Это не то же самое, что моделирование воздействия синхротронного излучения на отслеживаемые частицы.

Уэйкфилдс
Электромагнитное взаимодействие между пучком и стенкой вакуумной камеры, окружающей пучок, известно как кильватерные поля. Кильватерные поля создают силы, которые влияют на траекторию частиц пучка и могут потенциально дестабилизировать траектории.
Расширяемый
Открытый исходный код и объектно-ориентированное кодирование позволяют относительно легко расширять возможности.

Коды пространственного заряда

Самовзаимодействие (например, пространственный заряд) пучка заряженных частиц может вызвать рост пучка, например, удлинение сгустка или внутрипучковое рассеяние. Кроме того, эффекты пространственного заряда могут вызывать нестабильности и связанные с этим потери пучка. Обычно при относительно низких энергиях (примерно для энергий, где релятивистский гамма-фактор меньше 10 или около того) уравнение Пуассона решается с интервалами во время отслеживания с использованием алгоритмов частиц в ячейках . Эффекты пространственного заряда уменьшаются при более высоких энергиях, поэтому при более высоких энергиях эффекты пространственного заряда можно моделировать с помощью более простых алгоритмов, которые в вычислительном отношении намного быстрее, чем алгоритмы, используемые при более низких энергиях. Коды, которые обрабатывают эффекты пространственного заряда низкой энергии, включают:

  • АСТРА [8]
  • Бмад
  • CST Studio Suite [28]
  • ТПТ [29]
  • ВОЗДЕЙСТВИЕ [30]
  • ВлияниеX [31]
  • мбтрек [32]
  • ОРБИТА, [33] PyORBIT [34]
  • ОПАЛ [35]
  • PyHEADTAIL [36]
  • Синергия [37]
  • ТрассировкаВыигрыша [38]
  • Передача [39]
  • ВСим [40]
  • Варп [41]

При более высоких энергиях эффекты пространственного заряда включают рассеяние Тушека и когерентное синхротронное излучение (CSR). Коды, которые обрабатывают более высокие энергии пространственного заряда, включают:

  • Бмад
  • ЭЛЕГАНТНЫЙ
  • МэриЛи
  • Грустно

Коды эффектов «сильный-сильный» луч-луч

Когда сталкиваются два луча, электромагнитное поле одного луча будет иметь сильные эффекты на другом, называемые эффектами пучка-пучка. Так называемые «слабо-сильные» симуляции моделируют один луч (называемый «сильным» лучом, поскольку он влияет на другой луч) как фиксированное распределение (обычно гауссово распределение), которое взаимодействует с частицами другого «слабого» луча. Это значительно упрощает симуляцию. Полная «сильно-сильная» симуляция сложнее и занимает больше времени симуляции. Сильно-сильные коды включают

  • МОРСКАЯ СВИНКА [42]
  • ЛучЛуч3D [43]

Коды расчета импеданса

Важный класс коллективных эффектов может быть обобщен в терминах реакции балок на " импеданс ". Таким образом, важной задачей является вычисление этого импеданса для машины. Коды для этого вычисления включают

  • АБКИ [44]
  • ACE3P [45]
  • CST Studio Suite [46]
  • GdfidL [47]
  • ТБКИ [48]
  • ВСим [40]

Магнитные и другие аппаратно-моделирующие коды

Для управления пучком заряженных частиц необходимо создать соответствующие электрические и магнитные поля. Существуют программные пакеты, помогающие в проектировании и понимании магнитов, РЧ-полостей и других элементов, которые создают эти поля. Коды включают

  • ACE3P [45]
  • COMSOL Мультифизика [49]
  • CST Studio Suite [50]
  • ОПЕРА [51]
  • ВСим [40]

Описание решетки и проблемы обмена данными

Учитывая разнообразие задач моделирования, не существует единого разработанного формата данных. Для описания макета ускорителя и соответствующих элементов используется так называемый «файл решетки». Было предпринято множество попыток унификации форматов файлов решетки, используемых в различных кодах. Одной из попыток унификации является Accelerator Markup Language и Universal Accelerator Parser. [52] Еще одной попыткой унифицированного подхода к кодам ускорителей является UAL или Universal Accelerator Library. [53] По состоянию на 2023 год ни один из этих форматов не поддерживается.

Форматы файлов, используемые в MAD, могут быть наиболее распространенными, с доступными подпрограммами перевода для преобразования в форму ввода, необходимую для другого кода. С кодом Elegant связан формат данных, называемый SDDS, с соответствующим набором инструментов. Если вы используете код на основе Matlab, такой как Accelerator Toolbox, вы получаете все инструменты в Matlab.

Для обмена положениями частиц и электромагнитными полями стандарт OpenPMD [54] определяет формат, который затем может быть реализован с помощью формата файла, например HDF5 .

Коды в приложениях ускорителей частиц

Существует множество приложений ускорителей частиц. Например, два важных приложения — это физика элементарных частиц и производство синхротронного излучения . При выполнении задачи моделирования для любой операции ускорителя результаты моделирования динамики пучка заряженных частиц должны быть переданы в связанное приложение. Таким образом, для полного моделирования необходимо включить коды в связанные приложения. Для физики частиц моделирование может быть продолжено в детекторе с кодом, таким как Geant4 .

Например, для установки синхротронного излучения электронный пучок создает рентгеновский пучок, который затем перемещается по линии пучка, прежде чем достичь эксперимента. Таким образом, программное обеспечение для моделирования электронного пучка должно взаимодействовать с программным обеспечением для моделирования рентгеновской оптики, таким как SRW, [55] Shadow, [56] McXTrace, [57] или Spectra. [58] Bmad [10] может моделировать как рентгеновские лучи, так и пучки заряженных частиц. Рентгеновские лучи используются в эксперименте, который может быть смоделирован и проанализирован с помощью различного программного обеспечения, такого как научная платформа DAWN. [59] OCELOT [60] также включает в себя как расчет синхротронного излучения, так и модели распространения рентгеновских лучей.

Промышленные и медицинские ускорители представляют собой еще одну область важных приложений. Исследование 2013 года показало, что во всем мире насчитывается около 27 000 промышленных ускорителей и еще 14 000 медицинских ускорителей, [61] и с тех пор это число продолжает расти. [62] Коды, используемые на этих объектах, значительно различаются и часто включают в себя смесь традиционных кодов и специальных кодов, разработанных для конкретных приложений. Примером является Advanced Orbit Code (AOC) [63], разработанный в Ion Beam Applications .

Смотрите также

  • Список кодов из Лаборатории физики пучков частиц Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Архивировано 17 июля 2018 г. на Wayback Machine.
  • Сравнение кодов ускорителей

Ссылки

  1. ^ Компьютерные коды для проектирования и анализа ускорителей частиц: сборник, второе издание, Хелен Стокс Дивен и Квок Чи Доминик Чен, отчет Национальной лаборатории Лос-Аламоса, номер LA-UR-90-1766, 290 страниц (1990).
  2. ^ веб-сайт CERN CARE/HHH Архивировано 13 декабря 2012 г. на Wayback Machine
  3. ^ "руководство пользователя" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2018-07-04 . Получено 2013-11-16 .
  4. ^ libtracy на sourceforge.net
  5. ^ Сайт AccelSoft Inc.
  6. ^ Сайт ATcollab
  7. ^ См. https://github.com/carmignani/festa
  8. ^ ab Домашняя страница ASTRA
  9. ^ Домашняя страница BDSIM
  10. ^ ab Bmad домашняя страница
  11. ^ "УЮТНО".
  12. ^ "ДИНАК".
  13. ^ ELEGANT, гибкий код, совместимый с SDDS, для программного обеспечения для моделирования ускорителей
  14. ^ ab "MAD - Methodical Accelerator Design". mad@cern.ch . Получено 2020-09-09 .
  15. ^ Эпплби, Роберт; Барлоу, Роджер Дж.; Бунгау, Адриана; Фэллон, Джеймс; Крюкер, Дирк; Молсон, Джеймс; Рафик, Харун; Роуэн, Скотт; Серлука, Маурицио; Сьёбек, Кирре Несс; Тоадер, Адина; Тайгир, Сэм; Уокер, Ник; Вольски, Энди (2019-03-03). "Github Merlin-Collaboration/Merlin". doi :10.5281/zenodo.2598428. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  16. ^ Эпплби, Роберт; Барлоу, Роджер Дж.; Бунгау, Адриана; Фэллон, Джеймс; Крюкер, Дирк; Молсон, Джеймс; Рафик, Харун; Роуэн, Скотт; Серлука, Маурицио; Сьёбек, Кирре Несс; Тоадер, Адина; Тайгер, Сэм; Уокер, Ник; Вольски, Энди (2019). «Мерлин++». дои : 10.5281/zenodo.2598428. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  17. ^ Сотрудничество OCELOT на GitHub
  18. ^ Сайт ОПА
  19. ^ "Главная · Wiki · OPAL / SRC".
  20. ^ PLACET руководство
  21. ^ Репозиторий Propaga GitHub
  22. ^ "GitHub - jceepf/fpp_book". GitHub . 2019-02-06.
  23. ^ Домашняя страница SAD на kek.jp
  24. ^ SAMM, еще один код отслеживания на основе Matlab, на liv.ac.uk
  25. ^ Домашняя страница SixTrack на cern.ch
  26. ^ Домашняя страница Zgoubi на sourceforge.net
  27. ^ Руководство пользователя Zgoubi
  28. ^ PIC-решатель на cst.com
  29. ^ Общий трассировщик частиц (GPT) от Pulsar Physics
  30. ^ "IMPACT homepage at Berkeley Lab". Архивировано из оригинала 2015-04-16 . Получено 2015-04-09 .
  31. ^ ImpactX: код динамики пучка на основе s-волн, включающий эффекты пространственного заряда из лаборатории Беркли
  32. ^ МНОГОЧАСТИЧНЫЕ КОДЫ ОТСЛЕЖИВАНИЯ SBTRACK И MBTRACK. Р. Нагаока, статья PAC '09 здесь
  33. ^ Домашняя страница ORBIT на ornl.gov
  34. ^ Сотрудничество PyORBIT
  35. ^ Домашняя страница OPAL
  36. ^ PyHEADTAIL вики
  37. ^ Домашняя страница Synergia на fnal.gov
  38. ^ TraceWin в CEA Saclay
  39. ^ Руководство пользователя TRANFT, BNL--77074-2006-IR http://www.osti.gov/scitech/biblio/896444
  40. ^ abc VSim на Tech-X
  41. ^ Варп вики
  42. ^ "GUINEA-PIG Twiki". twiki.cern.ch . Архивировано из оригинала 2022-01-20 . Получено 03.07.2020 .
  43. ^ "Репозиторий BeamBeam3D GitHub"."J. Qiang, M. Furman и R. Ryne, "Параллельная модель частиц в ячейках для взаимодействия пучка с пучком в кольцевых коллайдерах высокой энергии"". J. Comp. Phys . 2004. doi :10.1016/j.jcp.2004.01.008.
  44. ^ Домашняя страница ABCI на kek.jp
  45. ^ ab ACE3P на slac.stanford.gov
  46. ^ CST Архивировано 29 июля 2018 г. на Wayback Machine , Технология компьютерного моделирования на cst.com
  47. ^ GdfidL, Gitter Drueber, Fertig ist die Laube на gdfidl.de
  48. ^ Т. Вейланд, DESY
  49. ^ Домашняя страница COMSOL на comsol.com
  50. ^ Электромагнитная студия CST на cst.com
  51. ^ "OPERA at magnet-design-software.com". Архивировано из оригинала 2013-12-24 . Получено 2013-11-15 .
  52. ^ Описание AML и UAP на cornell.edu
  53. ^ См. ссылки Н. Малицкого и Тальмана, например, это руководство от 2002 года.
  54. ^ Репозиторий OpenPMD GitHub.
  55. ^ Домашняя страница SRW на esrf.eu
  56. ^ Домашняя страница Shadow на esrf.eu
  57. ^ Домашняя страница McXTrace на mcxtrace.org
  58. ^ "Домашняя страница Spectra на riken.go.jp". Архивировано из оригинала 2013-08-27 . Получено 2013-11-15 .
  59. ^ Сайт научной платформы DAWN
  60. ^ "Введение в Ocelot". GitHub . 16 декабря 2021 г.
  61. ^ Р. В. Хамм и М. Э. Хамм, Промышленные ускорители
  62. ^ сессия по возможностям бизнеса ускорителей на IPAC-17
  63. ^ AOC, Код динамики пучка для медицинских и промышленных ускорителей
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Accelerator_physics_codes&oldid=1271887071"