Kódy fyziky akcelerátoru - Accelerator physics codes

Účtováno urychlovač částic je složitý stroj, který bere elementární nabité částice a zrychluje je na velmi vysoké energie. Fyzika urychlovače je obor fyziky zahrnující všechny aspekty potřebné pro konstrukci a provoz zařízení a pro pochopení výsledné dynamiky nabitých částic. Ke každé takové doméně jsou přidruženy softwarové balíčky. Existuje velké množství takových kódů. Vydání kompendia Los Alamos Accelerator Code Group z roku 1990 [1] poskytuje souhrny více než 200 kódů. Některé z těchto kódů se dodnes používají, ačkoli mnohé jsou zastaralé. Další index stávajících a historických simulačních kódů akcelerátoru je umístěn na [2]

Kódy dynamiky jednotlivých částic

Pro mnoho aplikací postačuje sledovat jedinou částici příslušným elektrickým a magnetickým polem. Mezi staré neudržované kódy patří: BETA,[3] AGS, ALIGN, COMFORT, DESIGN, DIMAD, GUINEA-PIG, HARMON, LEGO, LIAR, MAGIC, MARYLIE, PATRICIA, PETROS, RACETRACK, SYNCH,[4] TRANSPORT, TURTLE a UAL. Udržované kódy zahrnují:

Dynamika jedné částiceSledování otáčeníTaylor mapyKolektivní efektySledování záření synchrotronůWakefieldsRozšiřitelnýPoznámky
Accelerator Toolbox (AT),[5]AnoAno[6]NeAnoNeNeAno
ASTRA[7]AnoNeNeAnoNeAnoNePro vyhodnocení účinků prostorového náboje
BDSIM[8]AnoNeNeNeNeNeAnoPro studie interakce částic a látek.
Bmad (obsahuje PTC) [9]AnoAnoAnoAnoAnoAnoAnoReprodukuje jedinečné struktury čar paprsků PTC. Také simuluje rentgenové záření.
ÚTULNÁ INFINITA [10]AnoAnoAnoNeNeNeAno
Elegantní [11]AnoNeNeAnoNeAnoNe
MAD8 a MAD-X (zahrnuje PTC) [12]AnoNeAnoNeAnoNeNe
MAD-NG [12]AnoNeAnoNeAnoNeAnoVelmi rozšiřitelný, vkládá LuaJIT
MERLIN ++ [13][14]AnoAnoNeNeNeAnoAnoJiné: interakce paprsk-hmota, sledování krájených makročástic
OCELOT [15]AnoNeNeAnoAnoAnoAno
OPA [16]AnoNeNeNeNeNeNe
OPÁL[17]AnoNeAnoAnoNeAnoAnoOpen source, běží na notebooku a na x 10k jádrech.
PLACET[18]AnoNeNeAnoAnoAnoAnoSimuluje LINAC včetně wakefields.
Propaga[19]AnoNeNeNeNeNeAno
PTC[20]AnoAnoAnoNeNeNeAno
SMUTNÝ [21]AnoNeNeNeAnoAnoNe
SAMM [22]AnoAnoNeNeNeNeNe
SixTrack [23]AnoNeAnoNeNeNeNeMůže běžet dál BOINC
Zgoubi [24]AnoAnoNeNeNeNeNe

Sloupce

Sledování otáčení
Sledování částice roztočit.
Taylor mapy
Konstrukce map řady Taylor do vysokého řádu, které lze použít pro simulaci pohybu částic a také je lze použít pro takové věci, jako je extrakce sil rezonance jednotlivých částic.
Kolektivní efekty
Interakce mezi částicemi ve svazku mohou mít důležité účinky na chování, kontrolu a dynamiku. Kolektivní efekty mají různé podoby Intrabeamový rozptyl (IBS), což je přímá interakce částice-částice na pole probuzení, která jsou zprostředkována stěnou vakuové komory stroje, ve kterém částice cestují. Obecně je účinek přímých interakcí částice-částice menší u paprsků částic s vyšší energií. Při velmi nízkých energiích má vesmírný náboj velký vliv na paprsek částic a je tedy obtížné jej vypočítat. Výše uvedené simulační kódy nezpracovávají efekty nízkoenergetického náboje prostoru. Níže naleznete seznam programů, které dokáží zvládnout síly prostorového náboje s nízkou energií.
Sledování synchrotronového záření
Schopnost sledovat synchrotronové záření (hlavně Rentgenové záření ) vznikající zrychlením nabitých částic.
Wakefields
Elektromagnetická interakce mezi paprskem a stěnou vakuové komory obklopující paprsek jsou známá jako wakefields. Wakefields produkují síly, které ovlivňují trajektorii částic paprsku a mohou potenciálně destabilizovat trajektorie.
Rozšiřitelný
Objektově orientované kódování, aby bylo relativně snadné rozšířit možnosti.

Kódy prostorových poplatků

Vlastní interakce (např. Prostorový náboj) paprsku nabitých částic může způsobit růst paprsku, například při prodloužení svazku nebo rozptylu paprsku uvnitř paprsku. Efekty prostorového náboje mohou navíc způsobit nestability a související ztrátu paprsku. Typicky, při relativně nízkých energiích (zhruba pro energie, kde je relativistický faktor gama menší než 10), je Poissonova rovnice řešena v intervalech během sledování pomocí Částice v buňce algoritmy. Účinky vesmírného náboje se snižují při vyšších energiích, takže při vyšších energiích lze účinky vesmírného náboje modelovat pomocí jednodušších algoritmů, které jsou výpočetně mnohem rychlejší než algoritmy používané při nižších energiích. Kódy, které zpracovávají efekty nízkoenergetického vesmírného náboje, zahrnují:

Při vyšších energiích zahrnují účinky vesmírného náboje Touschekův rozptyl a koherentní synchrotronové záření (CSR). Kódy, které zvládají vyšší prostorový náboj energie, zahrnují:

  • Bmad
  • ELEGANTNÍ
  • MaryLie
  • SMUTNÝ

Kódy efektů paprskových paprsků

Když se dva paprsky srazí, elektromagnetické pole jednoho paprsku pak bude mít silné účinky na druhý, nazývané efekty paprskového paprsku. Kódy pro tento výpočet zahrnují

Kódy pro výpočet impedance

Důležitou třídu kolektivních efektů lze shrnout z hlediska odezvy paprsků na „impedance Důležitým úkolem je tedy výpočet této impedance pro stroj. Kódy pro tento výpočet zahrnují

Magnetické a jiné kódy pro modelování hardwaru

Pro ovládání paprsku nabitých částic musí být vytvořeno vhodné elektrické a magnetické pole. Existují softwarové balíčky, které pomáhají při navrhování a porozumění magnetům, RF dutinám a dalším prvkům, které vytvářejí tato pole. Kódy zahrnují

Problémy s formátem svazku a výměnou dat

Vzhledem k rozmanitosti úkolů modelování neexistuje jediný společný datový formát, který by se vyvinul. K popisu rozložení akcelerátoru a odpovídajících prvků se používá takzvaný „mřížkový soubor“. Došlo k četným pokusům o sjednocení mřížky formáty souborů používané v různých kódech. Jedním pokusem o sjednocení je Accelerator Markup Language a Universal Accelerator Parser.[47] Dalším pokusem o jednotný přístup ke kódům akcelerátoru je knihovna UAL nebo Universal Accelerator Library.[48]

Formáty souborů používané v Mad mohou být nejběžnější, s překladovými rutinami, které jsou k dispozici pro převod do vstupního formuláře potřebného pro jiný kód. S elegantním kódem je spojen datový formát zvaný SDDS s přidruženou sadou nástrojů. Pokud někdo používá kód založený na Matlabu, jako je Accelerator Toolbox, má k dispozici všechny nástroje v Matlabu.

Kódy v aplikacích urychlovačů částic

Existuje mnoho aplikací urychlovačů částic. Například dvě důležité aplikace jsou základní částicová fyzika a synchrotronové záření Výroba. Při provádění úlohy modelování pro jakoukoli operaci akcelerátoru musí být výsledky simulací dynamiky paprsků nabitých částic přeneseny do přidružené aplikace. Pro úplnou simulaci je tedy nutné zahrnout kódy do přidružených aplikací. Pro fyziku částic může simulace pokračovat v detektoru s kódem, jako je 4.

Například pro zařízení se synchrotronovým zářením vytváří elektronový paprsek rentgenový paprsek, který pak cestuje dolů a paprsková čára před dosažením experimentu. Software pro modelování elektronového paprsku tedy musí být propojen s rentgenová optika modelovací software jako SRW,[49] Stín,[50] McXTrace,[51] nebo Spectra.[52] Bmad[9] může modelovat jak rentgenové paprsky, tak paprsky nabitých částic. Rentgenové záření se používá v experimentu, který lze modelovat a analyzovat pomocí různých softwarů, jako je vědecká platforma DAWN.[53] OCELOT [54] zahrnuje také výpočet synchrotronového záření a modely šíření rentgenových paprsků.

Viz také

Reference

  1. ^ Počítačové kódy pro návrh a analýzu urychlovače částic: kompendium, druhé vydání, Helen Stokes Deaven a Kwok Chi Dominic Chen, zpráva o zprávě národní laboratoře Los Alamos číslo LA-UR-90-1766, 290 stran (1990).
  2. ^ webové stránky CERN CARE / HHH Archivováno 13. prosince 2012, v Wayback Machine
  3. ^ uživatelská příručka
  4. ^ libtracy na sourceforge.net
  5. ^ Web společnosti ATcollab
  6. ^ Vidět https://github.com/carmignani/festa
  7. ^ A b Domovská stránka ASTRA
  8. ^ Domovská stránka BDSIM
  9. ^ A b Domovská stránka Bmad na cornell.edu
  10. ^ "ÚTULNÝ".
  11. ^ ELEGANT, flexibilní kód vyhovující SDDS pro simulaci akcelerátoru software
  12. ^ A b „MAD - metodický design akcelerátoru“. [email protected]. Citováno 2020-09-09.
  13. ^ „Github Merlin-Collaboration / Merlin“. 2019-03-03.
  14. ^ Appleby, Robert; Barlow, Roger J .; Bungau, Adriana; Fallon, James; Kruecker, Dirk; Molson, James; Rafique, Haroon; Rowan, Scott; Serluca, Maurizio; Sjøbæk, Kyrre Ness; Toader, Adina; Tygier, Sam; Walker, Nick; Wolski, Andy (2019). „Merlin ++“. doi:10,5281 / zenodo.2598428. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
  15. ^ Spolupráce OCELOT na GitHubu
  16. ^ Web OPA
  17. ^ [1]
  18. ^ Úložiště Propaga GitHub
  19. ^ Úložiště Propaga GitHub
  20. ^ „GitHub - jceepf / fpp_book“. 2019-02-06.
  21. ^ Domovská stránka SAD na adrese kek.jp
  22. ^ SAMM, další sledovací kód založený na Matlabu, na liv.ac.uk
  23. ^ Domovská stránka SixTrack na cern.ch
  24. ^ Domovská stránka Zgoubi na sourceforge.net
  25. ^ Řešitel PIC na cst.com
  26. ^ General Particle Tracer (GPT) z fyziky Pulsar
  27. ^ „Domovská stránka IMPACT v Berkeley Lab“. Archivovány od originál dne 16. 4. 2015. Citováno 2015-04-09.
  28. ^ KÓDY SLEDOVÁNÍ VÍCEČÁSTIC SBTRACK A MBTRACK. R. Nagaoka, Papír PAC '09 zde
  29. ^ Domovská stránka ORBIT na adrese ornl.gov
  30. ^ Spolupráce PyORBIT
  31. ^ Domovská stránka OPAL
  32. ^ PyHEADTAIL wiki
  33. ^ Domovská stránka Synergia na adrese fnal.gov
  34. ^ TraceWin na CEA Saclay
  35. ^ Uživatelská příručka TRANFT, BNL - 77074-2006-IR http://www.osti.gov/scitech/biblio/896444
  36. ^ A b C VSim ve společnosti Tech-X
  37. ^ Warp wiki
  38. ^ „GUINEA-PIG Twiki“. twiki.cern.ch. Citováno 2020-07-03.
  39. ^ Domovská stránka ABCI na kek.jp
  40. ^ A b ACE3P na slac.stanford.gov
  41. ^ CST, Počítačová simulační technologie na cst.com
  42. ^ GdfidL „Gitter drueber, fertig ist die Laube na gdfidl.de
  43. ^ T. Weiland, DESY
  44. ^ Domovská stránka společnosti COMSOL na adrese comsol.com
  45. ^ CST Electromagnetic Studio na cst.com
  46. ^ „OPERA at magnet-design-software.com“. Archivovány od originál dne 24. 12. 2013. Citováno 2013-11-15.
  47. ^ Popis AML a UAP na cornell.edu
  48. ^ Viz odkazy N. Malitsky a Talman, jako je tato příručka z roku 2002.
  49. ^ Domovská stránka SRW na adrese esrf.eu
  50. ^ Domovská stránka Shadow na esrf.eu
  51. ^ Domovská stránka McXTrace na mcxtrace.org
  52. ^ "Domovská stránka Spectra na riken.go.jp". Archivovány od originál dne 2013-08-27. Citováno 2013-11-15.
  53. ^ Webové stránky vědecké platformy DAWN
  54. ^ [2]