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.

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).

arö

Das könnte Sie auch interessieren

  • Stellvertretender Premierminister von Singapur besucht das HZB
    Nachricht
    21.06.2022
    Stellvertretender Premierminister von Singapur besucht das HZB
    Am Freitag, den 17. Juni, war eine Delegation aus Singapur zu Gast am HZB. Heng Swee Keat, stellvertretender Premierminister von Singapur, wurde vom Botschafter von Singapur in Berlin, Laurence Bay, sowie von Vertreter*innen aus Forschung und Wirtschaft begleitet.

  • Helmholtz-Gemeinschaft eröffnet Beamline an der Röntgenquelle in Jordanien
    Nachricht
    14.06.2022
    Helmholtz-Gemeinschaft eröffnet Beamline an der Röntgenquelle in Jordanien
    An der Röntgenstrahlungsquelle SESAME in Jordanien ist eine neue Experimentierstation eröffnet worden: HESEB, die Helmholtz-SESAME Beamline, ist von fünf Forschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft unter Federführung von DESY konzipiert worden.
  • Mit Künstlicher Intelligenz die „Fingerabdrücke“ von Molekülen errechnen
    Science Highlight
    13.06.2022
    Mit Künstlicher Intelligenz die „Fingerabdrücke“ von Molekülen errechnen
    Mit konventionellen Methoden ist es extrem aufwändig, den spektralen Fingerabdruck von größeren Molekülen zu berechnen. Dies ist aber eine Voraussetzung, um experimentell gewonnene Messdaten korrekt zu interpretieren. Nun hat ein Team am HZB mit selbstlernenden Graphischen Neuronalen Netzen sehr gute Ergebnisse in deutlich kürzerer Zeit erzielt.