Коды физики акселератора

Заряженная ускоритель частиц - это сложная машина, которая принимает элементарные заряженные частицы и ускоряет их до очень высоких энергий. Physics Accelerator - это область физики, охватывающей все аспекты, необходимые для проектирования и управления оборудованием, и для понимания полученной динамики заряженных частиц. Существуют программные пакеты, связанные с каждым доменом. Выпуск 1990 года Кодекса Accelerator Code Los Alamos Code ^{[ 1 ]} Обеспечивает резюме более 200 кодов. Некоторые коды все еще используются сегодня, хотя многие устарели. Другой индекс существующих и исторических кодов моделирования ускорителя 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 больше не поддерживаются их первоначальными авторами или домашними учреждениями, включают: бета, ^{[ 3 ]} Ags, Align, Comfort, Design, DiMad, Harmon, Lego, Liar, Magic, Marylie, Patricia, Petros, GacTrack, Synch, ^{[ 4 ]} Транспорт, черепаха и UAL. Некоторые устаревшие коды поддерживаются коммерческими организациями для академических, промышленных и медицинских учреждений, которые продолжают использовать эти коды. Trace 3-D и черепаха являются одними из исторических кодов, которые коммерчески поддерживаются. ^{[ 5 ]}

Основные приспособленные коды включают:

	Динамика одной частицы	Спиновое отслеживание	Карты Тейлора	Слабо-сильное взаимодействие лучевого луча	Электромагнитное отслеживание поля	Коллективные эффекты более высокой энергии	Синхротроновый радиационный эффект	Отслеживание радиации	Wakefields	Расширяется	Примечания
Аклератор инструмент инструментов (AT), ^{[ 6 ]}	Да	Да ^{[ 7 ]}	Нет	Нет	Нет	Да	Нет	Нет	Нет	Да
Астра ^{[ 8 ]}	Да	Нет	Нет	Нет	Да	Да	Нет	Нет	Да	Нет	Для моделирования космического заряда
Бдсми ^{[ 9 ]}	Да	Нет	Нет	Нет	Да	Нет	Нет	Нет	Нет	Да	Для моделирования частицы.
BMAD (содержит PTC) ^{[ 10 ]}	Да	Да	Да	Да	Да	Да	Да	Да	Да	Да	Воспроизводит уникальные конструкции линии луча PTC. Имитирует рентген.
Уютная бесконечность ^{[ 11 ]}	Да	Да	Да	Нет	Да	Нет	Нет	Нет	Нет	Да	Карты дифференциального порядка-алгебраического переноса произвольного порядка
Динак ^{[ 12 ]}	Да	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет
Элегантный ^{[ 13 ]}	Да	Нет	Нет	Нет	Да	Да	Да	Нет	Да	Нет
Mad8 и Mad-X (включает в себя PTC) ^{[ 14 ]}	Да	Нет	Да	Да	Нет	Нет	Да	Нет	Нет	Нет
Mad-nng ^{[ 14 ]}	Да	Нет	Да	Да	Нет	Нет	Да	Нет	Нет	Да	Расширяемый, встраивает Луаджит
Merlin ++ ^{[ 15 ]}^{[ 16 ]}	Да	Да	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Да	Да	Другое: взаимодействие с пучком, отслеживание нарезанных макрочастиц
Оцелот ^{[ 17 ]}	Да	Нет	Нет	Нет	Нет	Да	Да	Да	Да	Да
Опала ^{[ 18 ]}	Да	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет
Опал ^{[ 19 ]}	Да	Нет	Да	Нет	Да	Да	Нет	Нет	Да	Да	Бежит на ноутбуках и на ядрах x 10k.
Пожалуйста ^{[ 20 ]}	Да	Нет	Нет	Нет	Нет	Да	Да	Нет	Да	Да	Linac, включая симуляции Wakefields.
Пропага ^{[ 21 ]}	Да	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Да
Ptc ^{[ 22 ]}	Да	Да	Да	Да	Да	Нет	Нет	Нет	Нет	Да
Грустный ^{[ 23 ]}	Да	Нет	Нет	Да	Нет	Да	Да	Нет	Да	Нет
Шаг ^{[ 24 ]}	Да	Да	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет
Шестерка ^{[ 25 ]}	Да	Нет	Да	Да	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Нет	Может бежать на Boinc
Мигание ^{[ 26 ]}^{[ 27 ]}	Да	Да	Нет	Нет	Да	Нет	Да	Нет	Нет	Да

Колонны

Спиновое отслеживание: частицы Отслеживание вращения .

Карты Тейлора: Конструкция карт серии Тейлора до высокого порядка, которые можно использовать для моделирования движения частиц, а также может использоваться для таких вещей, как извлечение прочности резонанса одной частицы.

Слабо-сильное взаимодействие лучевого луча: Можно имитировать взаимодействие луча с упрощением, что один луча по существу фиксируется по размеру. См. Ниже список кодов взаимодействия с сильным сильным.

Электромагнитное отслеживание поля: Может отслеживать (трассировку лучей) частица через произвольные электромагнитные поля.

Коллективные эффекты более высокой энергии: Взаимодействие между частицами в луче может оказывать важное влияние на поведение, управление и динамику. Коллективные эффекты принимайте различные формы от внутрибсушного рассеяния (СРК), которое представляет собой непосредственное взаимодействие частиц с частицами частицы доклейных полях, которые опосредованы стенкой вакуумной камеры машины, в котором движутся частицы. В целом эффект прямых взаимодействий частицы частицы является Меньше с более высокой энергией лучей частиц. При очень низких энергиях пространственный заряд оказывает большое влияние на луч частиц и, таким образом, становится трудно рассчитать. См. Ниже список программ, которые могут обрабатывать низкоэнергетические силы заряда.

Синхротроновый радиационный эффект

Может имитировать влияние излучения синхротронного излучения на отслеживаемые частицы.

Отслеживание радиации: Способность отслеживать синхротронное излучение (в основном рентгеновские лучи ), полученные путем ускорения заряженных частиц.

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

Wakefields: Электромагнитное взаимодействие между лучом и стенкой вакуумной камеры, окружающей луч, известны как Wakefields. Wakefields производит силы, которые влияют на траекторию частиц луча и могут потенциально дестабилизировать траектории.

Расширяется: Открытый исходный код и объектно -ориентированное кодирование, чтобы сделать его относительно простым расширением возможностей.

Коды космического заряда

Самостоятельное взаимодействие (например, пространственный заряд) заряженного пучка частиц может вызвать рост луча, например, при удлинении группы или внутрибамерном рассеянии. Кроме того, эффекты пространственного заряда могут вызывать нестабильность и связанную с этим потерю луча. Как правило, при относительно низких энергиях (примерно для энергий, когда релятивистский гамма-фактор составляет менее 10 или около того), уравнение Пуассона решается с интервалами во время отслеживания с использованием алгоритмов частиц в клетках . Эффекты пространственного заряда уменьшаются при более высоких энергиях, поэтому при более высоких энергиях эффекты пространственного заряда могут быть смоделированы с использованием более простых алгоритмов, которые вычисляются намного быстрее, чем алгоритмы, используемые при более низких энергиях. Коды, которые обрабатывают низкоэнергетические эффекты заряда пространства, включают в себя:

Астра ^{[ 8 ]}
Bmad
CST Studio Suite ^{[ 28 ]}
Гф ^{[ 29 ]}
ВЛИЯНИЕ ^{[ 30 ]}
IMPACTX ^{[ 31 ]}
mbtrack ^{[ 32 ]}
Орбита, ^{[ 33 ]} Pyorbit ^{[ 34 ]}
Опал ^{[ 35 ]}
Пиххвол ^{[ 36 ]}
Синергия ^{[ 37 ]}
Tracewin ^{[ 38 ]}
Транфт ^{[ 39 ]}
Vsim ^{[ 40 ]}
Деформация ^{[ 41 ]}

При более высоких энергиях эффекты пространственного заряда включают в себя рассеяние Touschek и когерентное синхротроновое излучение (CSR). Коды, которые обрабатывают более высокий уровень энергетического пространства, включают:

Bmad
Элегантный
Мэрили
Грустный

«Сильные сильные» коды эффектов луча

Когда два балка сталкиваются, электромагнитное поле одного луча будет оказывать сильное влияние на другой, называемый эффектами лучевой лучи. Так называемая «слабая» моделирование моделирует один луча (называемый «сильный» луч, поскольку он влияет на другой луч) в качестве фиксированного распределения (обычно гауссовое распределение), которое взаимодействует с частицами другого «слабого» пучка. Это значительно упрощает симуляцию. Полная симуляция «сильного сильного» является более сложной и занимает больше времени симуляции. Сильные коды включают

Гвинея-пиг ^{[ 42 ]}
Beambeam3d ^{[ 43 ]}

Коды расчета импеданса

Важный класс коллективных эффектов может быть обобщен с точки зрения реакции балок на « импеданс ». Таким образом, важной работой является вычисление этого импеданса для машины. Коды для этого вычисления включают

Абки ^{[ 44 ]}
Ace3p ^{[ 45 ]}
CST Studio Suite ^{[ 46 ]}
GDFIDL ^{[ 47 ]}
TBCI ^{[ 48 ]}
VSim^[40]

Magnet and other hardware-modeling codes

To control the charged particle beam, appropriate electric and magnetic fields must be created. There are software packages to help in the design and understanding of the magnets, RF cavities, and other elements that create these fields. Codes include

ACE3P^[45]
COMSOL Multiphysics^[49]
CST Studio Suite^[50]
OPERA^[51]
VSim^[40]

Lattice description and data interchange issues

Given the variety of modeling tasks, there is not one common data format that has developed. For describing the layout of an accelerator and the corresponding elements, one uses a so-called "lattice file". There have been numerous attempts at unifying the lattice file formats used in different codes. One unification attempt is the Accelerator Markup Language, and the Universal Accelerator Parser.^[52] Another attempt at a unified approach to accelerator codes is the UAL or Universal Accelerator Library.^[53] As of 2023 neither of these formats are maintained.

The file formats used in MAD may be the most common, with translation routines available to convert to an input form needed for a different code. Associated with the Elegant code is a data format called SDDS, with an associated suite of tools. If one uses a Matlab-based code, such as Accelerator Toolbox, one has available all the tools within Matlab.

For the interchange of particle positions and electromagnetic fields, the OpenPMD^[54] standard defines a format which can then be implemented with a file format like HDF5.

Codes in applications of particle accelerators

There are many applications of particle accelerators. For example, two important applications are elementary particle physics and synchrotron radiation production. When performing a modeling task for any accelerator operation, the results of charged particle beam dynamics simulations must feed into the associated application. Thus, for a full simulation, one must include the codes in associated applications. For particle physics, the simulation may be continued in a detector with a code such as Geant4.

For a synchrotron radiation facility, for example, the electron beam produces an x-ray beam that then travels down a beamline before reaching the experiment. Thus, the electron beam modeling software must interface with the x-ray optics modelling software such as SRW,^[55] Shadow,^[56] McXTrace,^[57] or Spectra.^[58] Bmad^[10] can model both X-rays and charged particle beams. The x-rays are used in an experiment which may be modeled and analyzed with various software, such as the DAWN science platform.^[59] OCELOT^[60] also includes both synchrotron radiation calculation and x-ray propagation models.

Industrial and medical accelerators represent another area of important applications. A 2013 survey estimated that there were about 27,000 industrial accelerators and another 14,000 medical accelerators world wide,^[61] and those numbers have continued to increase since that time.^[62] Codes used at those facilities vary considerably and often include a mix of traditional codes and custom codes developed for specific applications. The Advanced Orbit Code (AOC)^[63] developed at Ion Beam Applications is an example.

References

^ Computer Codes for Particle Accelerator Design and Analysis: A Compendium, Second Edition, Helen Stokes Deaven and Kwok Chi Dominic Chen, Los Alamos National Laboratory report number LA-UR-90-1766, 290 pages (1990).
^ the CERN CARE/HHH website Archived December 13, 2012, at the Wayback Machine
^ "user's guide" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2018-07-04. Retrieved 2013-11-16.
^ libtracy at sourceforge.net
^ AccelSoft Inc. website
^ ATcollab website
^ See https://github.com/carmignani/festa
^ Jump up to: ^a ^b ASTRA Homepage
^ BDSIM Homepage
^ Jump up to: ^a ^b Bmad home page
^ "COSY".
^ "DYNAC".
^ ELEGANT, a Flexible SDDS Compliant Code for Accelerator Simulation software
^ Jump up to: ^a ^b "MAD - Methodical Accelerator Design". [email protected]. Retrieved 2020-09-09.
^ 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 (2019-03-03). "Github Merlin-Collaboration/Merlin". doi:10.5281/zenodo.2598428. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)
^ 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. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)
^ OCELOT collaboration on GitHub
^ OPA website
^ "Home · Wiki · OPAL / SRC".
^ PLACET manual
^ Propaga GitHub repository
^ "GitHub - jceepf/fpp_book". GitHub. 2019-02-06.
^ SAD home page at kek.jp
^ SAMM, another Matlab based tracking code, at liv.ac.uk
^ SixTrack home page at cern.ch
^ Zgoubi home page at sourceforge.net
^ Zgoubi Users' Guide
^ PIC solver at cst.com
^ General Particle Tracer (GPT) from Pulsar Physics
^ "IMPACT homepage at Berkeley Lab". Archived from the original on 2015-04-16. Retrieved 2015-04-09.
^ ImpactX: an s-based beam dynamics code including space charge effects from Berkeley Lab
^ THE MULTIPARTICLE TRACKING CODES SBTRACK AND MBTRACK. R. Nagaoka, PAC '09 paper here
^ ORBIT home page at ornl.gov
^ PyORBIT Collaboration
^ OPAL homepage
^ PyHEADTAIL wiki
^ Synergia home page at fnal.gov
^ TraceWin at CEA Saclay
^ TRANFT user's manual, BNL--77074-2006-IR http://www.osti.gov/scitech/biblio/896444
^ Jump up to: ^a ^b ^c VSim at Tech-X
^ Warp wiki
^ "GUINEA-PIG Twiki". twiki.cern.ch. Archived from the original on 2022-01-20. Retrieved 2020-07-03.
^ "BeamBeam3D GitHub Repo"."J. Qiang, M. Furman, and R. Ryne, "A parallel particle-in-cell model for beam–beam interaction in high energy ring colliders"". J. Comp. Phys. 2004. doi:10.1016/j.jcp.2004.01.008.
^ ABCI home page at kek.jp
^ Jump up to: ^a ^b ACE3P at slac.stanford.gov
^ CST Archived 2018-07-29 at the Wayback Machine, Computer Simulation Technology at cst.com
^ GdfidL, Gitter drueber, fertig ist die Laube at gdfidl.de
^ T. Weiland, DESY
^ COMSOL home page at comsol.com
^ CST Electromagnetic Studio на cst.com ^{[ Постоянная мертвая ссылка ]}
^ «Опера в Magnet-Signe-software.com» . Архивировано из оригинала 2013-12-24 . Получено 2013-11-15 .
^ Описание AML и UAP на Cornell.edu
^ См. Ссылки Н. Малицкого и Талмана, такие как это руководство с 2002 года .
^ Openpmd github Repository.
^ SRW домашняя страница на ESRF.EU
^ Теневая домашняя страница на esrf.eu
^ McXtrace Home Page на mcxtrace.org
^ «Спектра домашняя страница на riken.go.jp» . Архивировано из оригинала 2013-08-27 . Получено 2013-11-15 .
^ Веб -сайт Dawn Science Platform
^ «Введение в Оцелот» . GitHub . 16 декабря 2021 года.
^ RW Hamm и Me Hamm, промышленные акселераторы
^ Сессия по Accelerator Business Opportunity на IPAC-17
^ AOC, код динамики луча для медицинских и промышленных ускорителей

[1] Computer Codes for Particle Accelerator Design and Analysis: A Compendium, Second Edition, Helen Stokes Deaven and Kwok Chi Dominic Chen, Los Alamos National Laboratory report number LA-UR-90-1766, 290 pages (1990).

[2] the CERN CARE/HHH website Archived December 13, 2012, at the Wayback Machine

[3] "user's guide" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2018-07-04. Retrieved 2013-11-16.

[4] tracy at sourceforge.net

[5] AccelSoft Inc. website

[6] ATcollab website

[7] See https://github.com/carmignani/festa

[ASTRA_Homepage-8] Jump up to: ^a ^b ASTRA Homepage

[9] BDSIM Homepage

[cornell1-10] Jump up to: ^a ^b Bmad home page

[COSY-11] "COSY".

[DYNAC-12] "DYNAC".

[13] ELEGANT, a Flexible SDDS Compliant Code for Accelerator Simulation software

[:0-14] Jump up to: ^a ^b "MAD - Methodical Accelerator Design". [email protected]. Retrieved 2020-09-09.

[15] 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 (2019-03-03). "Github Merlin-Collaboration/Merlin". doi:10.5281/zenodo.2598428. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)

[16] 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. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)

[17] OCELOT collaboration on GitHub

[18] OPA website

[19] "Home · Wiki · OPAL / SRC".

[20] PLACET manual

[21] Propaga GitHub repository

[22] "GitHub - jceepf/fpp_book". GitHub. 2019-02-06.

[23] SAD home page at kek.jp

[24] SAMM, another Matlab based tracking code, at liv.ac.uk

[25] SixTrack home page at cern.ch

[26] Zgoubi home page at sourceforge.net

[Zgoubi_Users'_Guide-27] Zgoubi Users' Guide

[28] PIC solver at cst.com

[29] General Particle Tracer (GPT) from Pulsar Physics

[30] "IMPACT homepage at Berkeley Lab". Archived from the original on 2015-04-16. Retrieved 2015-04-09.

[31] ImpactX: an s-based beam dynamics code including space charge effects from Berkeley Lab

[32] THE MULTIPARTICLE TRACKING CODES SBTRACK AND MBTRACK. R. Nagaoka, PAC '09 paper here

[33] ORBIT home page at ornl.gov

[34] PyORBIT Collaboration

[35] OPAL homepage

[36] PyHEADTAIL wiki

[37] Synergia home page at fnal.gov

[38] TraceWin at CEA Saclay

[39] TRANFT user's manual, BNL--77074-2006-IR http://www.osti.gov/scitech/biblio/896444

[VSim_at_Tech-X-40] Jump up to: ^a ^b ^c VSim at Tech-X

[41] Warp wiki

[42] "GUINEA-PIG Twiki". twiki.cern.ch. Archived from the original on 2022-01-20. Retrieved 2020-07-03.

[43] "BeamBeam3D GitHub Repo"."J. Qiang, M. Furman, and R. Ryne, "A parallel particle-in-cell model for beam–beam interaction in high energy ring colliders"". J. Comp. Phys. 2004. doi:10.1016/j.jcp.2004.01.008.

[44] ABCI home page at kek.jp

[stanford1-45] Jump up to: ^a ^b ACE3P at slac.stanford.gov

[46] CST Archived 2018-07-29 at the Wayback Machine, Computer Simulation Technology at cst.com

[47] GdfidL, Gitter drueber, fertig ist die Laube at gdfidl.de

[48] T. Weiland, DESY

[49] COMSOL home page at comsol.com

[50] CST Electromagnetic Studio на cst.com ^{[ Постоянная мертвая ссылка ]}

[51] «Опера в Magnet-Signe-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 Талмана, такие как это руководство с 2002 года .

[54] Openpmd github Repository.

[55] SRW домашняя страница на ESRF.EU

[56] Теневая домашняя страница на esrf.eu

[57] McXtrace Home Page на mcxtrace.org

[58] «Спектра домашняя страница на riken.go.jp» . Архивировано из оригинала 2013-08-27 . Получено 2013-11-15 .

[59] Веб -сайт Dawn Science Platform

[60] «Введение в Оцелот» . GitHub . 16 декабря 2021 года.

[61] RW Hamm и Me Hamm, промышленные акселераторы

[62] Сессия по Accelerator Business Opportunity на IPAC-17

[63] AOC, код динамики луча для медицинских и промышленных ускорителей

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]

[ 25 ]

[ 26 ]

[ 27 ]

[ 28 ]

[ 29 ]

[ 30 ]

[ 31 ]

[ 32 ]

[ 33 ]

[ 34 ]

[ 35 ]

[ 36 ]

[ 37 ]

[ 38 ]

[ 39 ]

[ 40 ]

[ 41 ]

[ 42 ]

[ 43 ]

[ 44 ]

[ 45 ]

[ 46 ]

[ 47 ]

[ 48 ]

[49]

[50]

[51]

[52]

[53]

[54]

[55]

[56]

[57]

[58]

[59]

[60]

[61]

[62]

[63]