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).
- Proteinkristallographie an BESSY II: Schneller, besser und automatischerViele Erkrankungen hängen mit Fehlfunktionen von Proteinen im Organismus zusammen. Die dreidimensionale Architektur dieser Moleküle ist oft äußerst komplex, liefert aber wertvolle Hinweise für das Verständnis von biologischen Prozessen und die Entwicklung von Medikamenten. Mit Röntgendiffraktion an den MX-Beamlines von BESSY II lässt sich die 3D Struktur von Proteinen entschlüsseln. Mehr als 5000 Strukturen sind bis heute an den drei MX-Beamlines von BESSY II gelöst worden. Ein Rückblick und Ausblick im Gespräch mit Manfred Weiss, dem Leiter der Makromolekularen Kristallographie.
- Was die Zinkkonzentration in Zähnen verrätZähne sind Verbundstrukturen aus Mineralien und Proteinen, dabei besteht der Großteil des Zahns aus Dentin, einem knochenartigen, hochporösen Material. Diese Struktur macht Zähne sowohl stark als auch empfindlich. Neben Kalzium und Phosphat enthalten Zähne auch Spurenelemente wie Zink. Mit komplementären mikroskopischen Verfahren hat ein Team der Charité Berlin, der TU Berlin und des HZB die Verteilung von natürlichem Zink im Zahn ermittelt. Das Ergebnis: mit zunehmender Porosität des Dentins in Richtung Pulpa steigt die Zinkkonzentration um das 5- bis 10-fache. Diese Erkenntnis hilft, den Einfluss von zinkhaltigen Füllungen auf die Zahngesundheit besser zu verstehen und könnte Verbesserungen in der Zahnmedizin anstoßen.
- Faszinierendes Fundstück wird zu wertvoller WissensquelleDas Bayerische Landesamt für Denkmalpflege (BLfD) hat ein besonderes Fundstück aus der mittleren Bronzezeit nach Berlin geschickt, um es mit modernsten Methoden zerstörungsfrei zu untersuchen: Es handelt sich um ein mehr als 3400 Jahre altes Bronzeschwert, das 2023 im schwäbischen Nördlingen bei archäologischen Grabungen zutage trat. Die Expertinnen und Experten konnten herausfinden, wie Griff und Klinge miteinander verbunden sind und wie die seltenen und gut erhaltenen Verzierungen am Knauf angefertigt wurden – und sich so den Handwerkstechniken im Süddeutschland der Bronzezeit annähern. Zum Einsatz kamen eine 3D-Computertomographie und Röntgendiffraktion zur Eigenspannungsanalyse am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) sowie die Röntgenfluoreszenz-Spektroskopie bei einem von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) betreuten Strahlrohr an BESSY II.