Elektronenbahnen in komplexen Magnetfeldern jetzt schneller berechenbar
Vertikaler Schnitt durch einen Quadrupol-Magneten: Schwarz: Feldverteilung in einem definierten vertikalen Abstand zur Mittelebene. Magenta: Elektronenbahnen mit unterschiedlichen Startbedingungen. © C. Rethfeldt/HZB
Um künftig noch leistungsstärkere Synchrotronquellen zu konzipieren, ist es wichtig, die Elektronenbahnen in komplexen Magnetstrukturen mit hoher Präzision zu simulieren. Dies erfordert jedoch sehr lange Rechenzeiten. Nun hat ein Team am HZB die Elektronenbahnen mit einem neuen Algorithmus simuliert und damit die erforderliche Rechenzeit verkürzen können. Dies beschreiben sie in Physical Review Special Topics Accelerator & Beams.
In einem Elektronenspeicherring wie BESSY II laufen Elektronen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch komplexe magnetische Konfigurationen, die sie immer wieder in Richtung des idealen Orbits lenken. Sie fokussieren den Strahl ähnlich wie optische Linsen das Licht. Um das Verhalten der Elektronen im Speicherring zu simulieren, muss ihre Bahn durch die Magnetanordnungen über viele tausende von Runden verfolgt werden; jedes Mal sind ihre Bahnen dabei etwas unterschiedlich, so dass eine präzise Simulation der Felder und der Bahnen lange Rechenzeit erfordert.
Ein Team aus der HZB-Abteilung Undulatoren und dem HZB-Institut Beschleunigerphysik hatte bereits 2011 in einem ersten Papier [2] eine neuartige Methode publiziert, um die Rechenzeit für Bahnen in komplexen Undulator-Feldern erheblich zu verkürzen. Der Algorithmus wurde in den Bahnverfolgungscode „elegant“ eingebaut, der an der Advanced Photon Source / Argonne entwickelt wurde und weltweit genutzt wird. Das Softwarepaket ist frei verfügbar.
Nun konnten Malte Titze, Johannes Bahrdt und Godehard Wüstefeld diese Methode erweitern und zeigen, wie sie auch für eine weite Klasse von dreidimensionalen Magneten, hier insbesondere Quadrupole, Sextupole usw., angewendet werden kann [1].
„Die Methode liefert sehr präzise Ergebnisse, auch für sich rasch ändernde Felder besonders im Randbereich dieser Magnete“, sagt Malte Titze, der inzwischen am CERN forscht. „Solche Rechenmethoden sind für speicherringbasierte Lichtquellen der vierten Generation, insbesondere für beugungsbegrenzte Quellen, von großer Bedeutung, da hier einerseits kombinierte Magnete (z.B. Dipol plus integriertem Quadrupol) zur Anwendung kommen und andererseits Randfeldeffekte und die magnetische Wechselwirkung zwischen den Magneten eine wichtige Rolle spielen, “ erklärt Johannes Bahrdt. „Dies hat eine besondere Relevanz hinsichtlich der Nachfolgemaschine von BESSY II“. Die Physiker beschreiben die Methodik in der Fachzeitschrift: Physical Review Special Topics Accelerator & Beams.
[1] M. Titze, J. Bahrdt, G. Wüstefeld, „Symplectic tracking through straight three dimensional fields by a method of generating functions“
DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.19.014001
[2] J. Bahrdt, G. Wüstefeld, “Symplectic tracking and compensation of dynamic field integrals in complex undulator structures”, Phys. Rev. ST Accel. Beams 14, 040703 (2011).
- Supraleitendes TES-Array-Röntgenspektrometer geht bei BESSY II in BetriebTeams aus HZB, MPI-CEC (Mühlheim an der Ruhr, Deutschland) und NIST (Boulder CO, USA) haben das supraleitende TES-Array-Röntgenspektrometer gemeinsam entwickelt. Jetzt ist es an BESSY II in Betrieb gegangen, als erstes und einziges Synchrotron-TES-Spektrometer in Europa. Das neue Instrument ist etwa 100- bis 1000-mal effizienter bei der Detektion von Photonen als herkömmliche Röntgenemissionsspektrometer und ermöglicht es, die elektronischen Eigenschaften atomar dünner Schichten, Nanostrukturen und hochverdünnter atomarer und molekularer Proben zu untersuchen. Das BESSY-Team freut sich auf spannende Forschungsideen aus der Nutzerschaft!
- Magnon-Momentum-Mikroskopie: Neues Fenster in nanoskalige SpinwellenEin internationales Team unter der Leitung des Max-Born-Instituts hat eine neue Art der Momentum-Mikroskopie entwickelt, mit der Magnonen – die Quanten kollektiv angeregter Spins – mithilfe von Weichröntgenstrahlung direkt im zweidimensionalen reziproken Raum abgebildet werden können. Die Messungen fanden an BESSY II und Petra III statt. Erstautor ist der HZB-Physiker Steffen Wittrock. Dank ihrer Empfindlichkeit, Einfachheit und der Möglichkeit, Wellenlängen im Nanometerbereich aufzulösen, bildet diese neuartige Methode eine leistungsstarke und vielseitige Plattform für die Erforschung nichtlinearer Magnonen-Wechselwirkungen, die für zukünftige Rechenkonzepte interessant sind.
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.