“Sinkrotron Işınımı (SI) ve Serbest Elektron Lazeri (SEL) Üreti

HIZLANDIRICI TASARIM
SİMULASYONLARI
Prof. Dr. Orhan ÇAKIR
Ankara Üniversitesi
III. Uluslararası Parçacık Hızlandırıcıları ve Dedektörleri
Yaz Okulu, Bodrum, 20-24 Eylül 2007
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Parçacık hızlandırıcıları
Elektron, proton gibi yüklü parçacıkları
elektrik alan kullanarak yüksek hızlara
çıkaran ve manyetik alan kullanarak demet
halinde bir arada tutan makinelere
Gun.mov
hızlandırıcı adı verilir.
Televizyonlardaki elektron tabancaları veya
x-ışını makineleri gibi düşük enerjili olanları
ve yeraltında kurulmuş, kilometrelerce
uzunlukta olan yüksek enerjili hızlandırıcılar
da bulunmaktadır.
Parçacık hızlandırıcıları inşaa edildikleri
şekle göre ikiye ayrılırlar: Doğrusal ve
çembersel. Amerika Birleşik
Devletleri'ndeki SLAC laboratuvarı
doğrusal, gene aynı ülkedeki Fermilab
laboratuvarı ve Avrupa Nükleer Araştırma
Merkezi (CERN) çembersel hızlandırıcıların
dünyadaki önemli örneklerini
bulundurmaktadır.
Tartışma/Sonuç
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Hızlandırıcılar
• Hızlandırıcılarla İlk Yıllar
• Genel olarak nükleer ve parçacık fiziği
• Tasarım ve işletim denemeleri
• Günümüz Hızlandırıcıları
• Büyük aygıtlar, çok insan gücü, çok para
• Çok fazla uygulama
• Güvenlik konuları
• Karmaşık kontrol ve işletim
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Parçacık hızlandırıcıları/Çarpıştırıcıları
LEP (89-00)
LHC(08-)
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Hesaplama yöntemleri nerede gerekir?
●
Demet dinamiği çalışmaları
–
–

Hızlandırıcının tasarım ve simulasyonu
Kontrol ve işletim
Hızlandırıcı elemanlarının tasarımı


Magnetler, RF boşlukları, vb.
Vakum bileşenleri, cryogenics, vb.
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Hızlandırıcı Tasarım Basamakları
●

Temel parametrelerin
tanımlanması
Hızlandırıcı tasarım şekli ve optiği

Yerel ve genel özelliklerin analizi,
performans ölçümü


Demet kararlılığı
Geometri ve kurulum
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Hızlandırıcı Fiziği Programı Gerekliliği !
●
●
●
●
●
Başlangıç parametreleri hesabı
Optik tasarım programı
Tek parçacık dinamiği modelleme
Çok parçacık dinamiği
modelleme
Geometri
–
–
Birçok program gerekebilir
Programların algoritmaları ve ne
yaptıkları öğrenilmelidir
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Hızlandırıcı Optik Tasarımı
●
●
Standart formatta hızlandırıcının
tanımı gereklidir
Optik hesapları
–
–
–
●
Lineer ve lineer olmayan optik
hesaplar
Lineer düzeltmeler
Lineer olmayan ve kromatik
düzeltmeler
Parametre uyarlama
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Bir Hızlandırıcının Simulasyonu
• Bir hızlandırıcı içinde demetin veya parçacığın hareketinin
benzetişimi
• Parçacıklarla etkileşimini tanımlamak için makine elemanının
yerel özelliklerinin kullanılması
• Genel davranışın çıkarılması amaçlanır: Kararlılık, Ömür, …
• Tek parçacık davranışı, elemanların etkisi: lineer olmayan
elemanlar, makine kusurları (örn. alan hataları), dış parazitler
(örn. saçılma)
• Çok paçacık davranışı, genellikle kollektif davranış: koherent
hareket, emittans artışı, sönüm vb.
• Hızlandırıcı elemanlarının parçacık topluluğuna etkisi (örn.
empedans), parçacıkların birbiriyle etkileşmesi, uzay yükü ve
demet-demet etkileri
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Tek parçacık ve Çok Parçacık İzleme
(Tracking)
- Bir test parçacığının makine elemanları içinden geçişinin,
tanımlanan dönüş sayısı için, simulasyonu yapılmaktadır 
“tracking”.
- Demetin (~108 parçacık) simulasyonu, demet şekli, bütün
parçacıkların merkezi hareketleri
- Çok parçacık durumunda, parçacıklar farklı genlikler, farklı
ayarlar, farklı momentum vardır ve emittans tanımı daha
karmaşık hale gelir
- Eşzamanlı olarak çok parçacığın üretimi ve simulasyonu
- Herbir parçacık makinenin elemanlarıyla ayrı etkileşir,
Parçacık topluluğu makine elemanları ile etkileşir
- Herbir parçacık diğer parçacıklarla etkileşir.
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Bir Hızlandırıcı Bilgisayara Nasıl
Görünür ?
Sadece böyle değil !



Hızlandırıcı çok elemanlı bir
makine olarak tanımlanır
Karmaşık bir yapı
Ortak elemanlar

Değişen

Eğme ve odaklama
Ardışık makine elemanları


enerji
Bilgisayar bir
hızlandırıcıyı, içindeki
parçacığın onu gördüğü
gibi görür.
Tartışma/Sonuç
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Hızlandırıcı Simulasyonları
●
●
Hızlandırıcıda her bir M
elemanı demet üzerine belirli
bir şekilde etki yapar, bu bir
magnet, RF kovuğu, vakum
Genelde z2≠z1 !
odası vs. olabilir.
Elemanlar bilgisayara uygun
M=M1 o M2 o M3 o … o Mn
bir şekilde tanıtılır
– z1,z2 : elemandan önceki
ve sonraki nicelikleri
M bir makine elemanının
(koordinatlar, demet
özelliklerini tanımlar ve ,
boyutları, vs.) göstersin
•Lineer matris veya dönüşüm
– Bir M elemanı 
matematiksel bir cisim
•Yüksek mertebe integral
●
●
●
M bir elemanı tanımlar
Genel : z2=M o z1
Ardışık elemanlar kümesi,
modellenen parçaları
birbirine bağlar ve demet
hatlarını (veya halkalarını)
oluşturur.
algoritması
•Program, altprogram, vb.
•z1 den z2 ye gitmek için herhangi
bir tanımlama olabilir.
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Simulasyon için
Basamaklar
• Program makine elemanlarının
sırasını konumlarını girdi
dosyasından okur,
• Elemanların özelliklerini,
çeşitlerini okur, dipol, kuadrupol,
drift, vs.
• Aktarma matris elemanlarını
oluşturur
• Girdi için “standartlar” mevcut,
dönüştürücüleri kullanır
Programlar
Tartışma/Sonuç
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Zamanın
fonksiyonu
olarak demet
boyutlarının
değişimi
Zamanın
fonksiyonu
olarak Emittans
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
DEMETLERİN ORTAMLA ETKİLEŞMESİ
• Demetler makine elemanları ile etkileşir
• Artık alanlarla etkileşir
• Empedanslar
• Elektron bulutu
• Kesişen elemanlar
DEMETLERİN KENDİLERİYLE
ETKİLEŞMESİ
DEMETLERİN DİĞER
DEMETLERLE ETKİLEŞMESİ
• diğer demet lineer
olmayan bir lens gibi
davranır
• koherent olmayan demetdemet etkileri
• koherent demet-demet
etkileri (parçacık
topluluğuna etki)
• Demet içindeki parçacıklar aynı
demetteki diğer parçacıklarla etkileşirler
• Uzay yükü etkileri
• Intra-demet saçılması
• Çoklu-paketçik etkileri
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Bazı Simulasyon Programları
PT: Parçacık izleme, LW: Lienard-Weichert, MS: Maxwell denklem çözücü,
PD: Plazma Dinamiği.
Program
Tanım
Parmela
PT
Homdyn
PT
Tredi
PT
QUINDI
PT ve LW
Genesis 1.3
PT
Elegant
PT
Spur
LW
fieldEye
LW
Ampere
MS
Poisson/Superfish MS
Gdfidl
MS
Radia
MS
HFSS
MS
Magic
PD
OopicPro
PD
Platform
Paralel
Kaynak
Kılavuz, Not
Linux,Mac
Linux,Mac
Linux
Linux
Linux,Mac
Linux,Mac,Win
Linux,Mac
Linux
Win
Linux
Linux
Mac,Win
Win
Win
Linux
hayır
hayır
evet
evet
hayır
hayır
evet
evet
hayır
hayır
hayır
hayır
hayır
hayır
evet
evet
hayır
evet
evet
evet
hayır
evet
evet
hayır
evet
evet
hayır
hayır
hayır
evet
ders notu
kılavuz, ders notu
ders notu
kılavuz
kılavuz, ders notları
kılavuz, ders notları
------kılavuz, ders notu
kılavuz, ders notu
ders notu, online kılavuz
--online ders notu
online kılavuz, ders notu
http://pbpl.physics.ucla.edu/Computing/Code_Overview/
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
HIZLANDIRICI TASARIM PROGRAMLARIN
KARŞILAŞTIRILMASI
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
THM Projesi kapsamında Programlar
ENJEKTÖR
1. ASTRA (*Windows, *Linux)
2. PARMELA
*Linux, )
(*Windows,
3. POISSON
*Linux)
(*Windows,
(*Windows,
2. GINGER (*Windows, *Linux)
3. PROMETEO
*Linux)
* Program Kuruldu
* Program elde edilemedi
SASE FEL
1. GENESIS
*Linux)
* Program Kuruldu ve
Çalıştırıldı
PAKETÇİK SIKIŞTIRICI
(BUNCH COMPRESSOR)
1. ELEGANT
*Linux)
(*Windows,
(*Windows,
YUUP CD#1
RADYASYON GÜVENLİĞİ
1. EGS
(*Windows, *Linux)
Giriş
Hızlandırıcı
ASTRA
Simulasyon
ENJEKTÖR
A Space-Charge TRacking Algorithm (2D, 3D!)
version: 1.0
Ek programlar: ASTRA GRAFİK PROGRAMLARI
Programlar
Tartışma/Sonuç
• Enine halkalardan
ve boyuna dilimlerden
oluşan
grid,
uzay
yükü
hesabı
için
kullanılan
bir
modeldir.
•
generator başlangıç durumu parçacık dağılımı üretmek için kullanılır.
•
fieldplot demet hattı elemanlarını ve parçacık dağılımlarının uzay yük alanlarını
görüntülemek için kullanılır.
•
postpro parçacık dağılımlarının faz uzayı grafiklerini görüntülemek için kullanılır ve faz
uzayı dağılımlarının ayrıntılı analizine imkan sağlar.
•
lineplot demet boyutları, emitans, uzunluk, vs. boyuna demet hattı konumu veya
taranan bir parametreye bağlı olarak görüntülenmesi için kullanılır.
•
Bu menu kontrollu grafik programları PGPLOT FORTRAN veya C (ayrıca kurulmalıdır) alt
program paketine bağlıdır.
Yazılım Ortamı: Windows, Linux, MAC
Kullanım Kılavuzu: PDF, PS, DOC dosyaları var, 36 sayfa.
Girdi dosyası: Girdi dosyası Fortran 90 formatında, herbir değişken isimleri & işareti ile
başlar ve / işareti ile biter.
Çıktı dosyası: generator programı çalıştırıldıktan sonra sonucu postpro ile görülebilir,
örneğin, ‘generator generator1.in’ ; ‘postpro FNAL.ini’. Astra programı farklı uzunluk
ölçeğinde, zaman ölçeğinde veya bir parametrenin değişim ölçeğinde sonuçlar üretir.
Örnek, ‘Astra rfgun.in’ yazıldığında efld.dat, bfld.dat dosyaları isteniyor, sonuçta
rfgun.00xy.001 dosyaları oluşur.
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Uzay Yükü
Hesabı
Programlar
Tartışma/Sonuç
• Grid ve uzay
yükü alanı,
değişen paketçik
boyutları, yük ve
enerjiye göre
demet hattı
boyunca
paketçiğin
yayılması olarak
ölçeklendirilmiştir.
• Ölçeklendirme çarpanı kullanıcının tanımladığı
sınır değerden büyük olursa yeni bir uzay yükü
hesabı otomatik olarak başlatılır.
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Örnek: Bir bunch’ın ASTRA ile hesaplanan
radyal elektrik uzay yükü alanı, fieldplot ile
çizilmiştir.
Düzgün yük
yoğunluğu, ,
1000 makroparçacık,
10x10 grid hücresi
grid
çizgileri
bunch
uzunluğu
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Alanlar
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
PARMELA
Phase And Radial Motion in Electron Linear Accelerators (2D, 3D!)
Parmela demet dinamiği simulasyon programı olarak da bilinir. Bu
program rf problemleri için kullanılan FISH programının veya magnet
problemleri için kullanılan POISSON programının alan dağılımlarını
okumaktadır.
Version : 1
Ortam: Linux
Kullanım Kılavuzu : Program ile birlikte
İletişim/Programın Elde Edilmesi : (ticari program), [email protected]
Web Sayfası: http://laacg1.lanl.gov/laacg/services/possup.html
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
PARMELA / ASTRA - PROGRAM ALGORİTMASI
Uzay yükü kuvvet hesabı: parçacıkların konumları ve alanlar Lorentz dönüşümleri ile
demetin durgun çerçevesine dönüştürülür. Burada halkanın içinde sabit yük yoğunluğu
olduğu düşünülerek silindirik şeklin halkalarına statik bir kuvvet uygulanmaktadır. Bu
algoritma silindirik grid’in her bir hücresinde en az 5 parçacık olmasını gerektirir. Noktanokta opsiyonu da olmasına rağmen kullanışsızdır.
In the rest frame of bunch,
örnek
parçacık
R
r
d
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
POISSON
RF boşlukları, magnet bileşenleri, elektrostatik elemanlar, ve dalga
kılavuzlarının tasarımı için kullanılan 30’dan fazla alt programı içeren,
2D bir program paketidir. Genel olarak hızlandırıcı bileşenleri tasarımı
için kullanılır. Bu program SUPERFISH kod ailesinin bir üyesi olduğundan
bazen POISSON/SUPERFISH birlikte kullanılıyor.
Version: 7
Program : ftp sunucudan elde edilebilir.
ftp://sfuser:[email protected]/
Ortam: Windows
Kullanım Kılavuzu: Program ile birlikte gelen yardim dosyaları, WEB
notları
WEB : http://laacg1.lanl.gov/laacg/c-on-line/descriptions/poissonpc.html
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
ÖRNEK: C:\LANL\Examples\Electrostatic\ChargeDensity\CHARGEXY.am
(Automesh) dosyasına çift-tıklanarak binary CHARGEXY.t35 dosyası oluşturulur. Bu
dosyadan WSFPplot programı ile grafik çizilebilir.
Electrostatic problem with space charge
1 nC/cm^3 charge density
; Copyright 1998, by the University of California.
; Unauthorized commercial use is prohibited.
&reg kprob=0,
dx=0.02,dy=0.02,
icylin=0,
nbsup=0,
nbslo=1,
nbslf=1,
nbsrt=0
ibound=0,
xreg1=.75,xreg2=1.0
yreg1=.75,yreg2=1.0
xjfact=0.0 &
&po
&po
&po
&po
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
!
Poisson or Pandira problem
Mesh interval at origin
Cartesian coordinates
Dirichlet boundary condition at upper edge
Neumann boundary condition at lower edge
Neumann boundary condition at left edge
Dirichlet boundary condition at right edge
Dirichlet boundary condition on internal bounds
X line regions where mesh interval doubles
X line regions where mesh interval doubles
Electrostatic problem
x=4.,y=0. &
nt=2,r=4.,theta= 90.,x0=0.,y0=0. &
x=0.,y=0. &
x=4.,y=0. &
&reg mat=1,den=4.d-9 &
! DEN is charge density in Coul/cm^3
&po x=0.5,y=0. &
&po nt=2,r=0.5,theta=90.,x0=0.,y0=0. &
&po x=0.,y=0. &
&po x=0.5,y=0. &
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
PLACET*
Demet dinamiği simulasyonu yapan, artık alanların (wakefields)
bulunduğu linak
içinde hızlandırma ve yavaşlatma birimlerinde
demet dinamiğinin simulasyonu için kullanılır. Tek ve çoklu paketçik
etkilerini araştırmaya imkan sağlar.
Program çerçevesinde örnek çalışmalar daha çok TESLA, ILC ve CLIC
için yapılmıştır.
Placet aynı zamanda bir TCL-yorumlayıcısıdır, hızlandırıcı tasarımları
için özel komutlar içermektedir. Ayrıca, kullanıcı uygulamaya özgü
komutları ekleyebilir. Grafikler için TK komutlarını kullanmak
mümkündür. Böylece script dili olarak TCL ve grafik ortami için de TK
komutlarının kullanılması için bir çerçeve (framework) sağlamaktadır.
Burada daha çok programın derlenip çalıştırılması ve örneklerin
yapılması ile ilgili önemli noktalar verilmiştir. TCL ve TK dillleri ile ilgili
bilgiler http://www.tcltk.org sayfasından elde edilebilir.
*D. Schulte (A. Latina)
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
•PLACET ile Linak Sim.
•
•Demet hattı tanımı
Quadrupole -length 0.1 -strength 2.0
Drift -length 1.0
•Demet düzenlenimi ve izleme
DriveBeam beam0 -bunches 1 \
...
TwissPlot beam0 -file twiss.dat
parametrelerinin çizilmesi)
(örgünün
twiss
•Demetin düzeltilmesi
TestSimple Correction -beam beam0 -machines 100
-emitt_file emitt.dat
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Örnek:
10 FODO hücresi, 3m kuadrupol aralığı, 10 cm
kuadrupol uzunluğu, 1 GeV'lik parçacık için
kuadrupol odak erişimi 0.5 m^-1, 1 GeV
enerjili demet, twiss.dat dosyasında demet
hattı boyunca beta fonksiyonu,
MatchFodo:
hesaplanır
başlangıç
twiss
parametreleri
TwissMain (beam.dat dosyası oluşturur)
Input: beam.dat (wakefield bilgisi içerir)
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Yatay beta fonksiyonu beta_x2in s'ye göre değişimi
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
PLACET
ÖRNEK 1) ILC linak içinde izleme :
$.> placet run.tcl
linak boyunca emit_y goösterilmesi:
$.> gnuplot
gnuplot> plot 'emitt.dat' u 1:6 w l
ÖRNEK 2) ILC linak'ı için grafik:
$.> placet -w view.tcl
ÖRNEK 3) ILC linak boyunca twiss parametrelerinin 's' ye göre
çizilmesi:
$.> placet twiss.tcl
$.> gnuplot
gnuplot> plot 'twiss.dat' u 2:7 ti "alpha_x" w l
gnuplot> plot 'twiss.dat' u 2:11 ti "alpha_y" w l
gnuplot> plot 'twiss.dat' u 2:6 ti "beta_x" w l
gnuplot> plot 'twiss.dat' u 2:10 ti "beta_y" w l
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
BeamLineView komutu ile oluşturulan bir pencere
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Yatay beta fonksiyonu beta_x'in s'ye göre değişimi
Giriş
Hızlandırıcı
GENESIS
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
- SASE FEL
Zamana bağımlı, üç boyutlu bir SEL simulasyon kodudur. Yükselteç ve SASE
SEL modlarında çalışır. Işınım alanının elektron demeti ile etkileşimini
salındırıcı veya zigzaglayıcının alanına bağlı olarak simüle eder. Orijinal
olarak Fortran dilinde, Sven REICHE tarafından doktora tezinin bir parçası
olarak yazılmıştır. Daha sonra programın C++ sürümü de yazılmıştır.
Version: 1.0 ve 1.3
Ortam: Windows, Linux
Kullanım Kılavuzu: Web sayfasından indirilebilir PDF ve HTML
Web sayfası: http://corona.physics.ucla.edu/~reiche/
Girdi: Bütün girdi parametreleri FORTRAN uyumlu.
(PEGASUS FEL) Kızılötesi Serbest-Elektron Lazeri, (VISA FEL) Görünür bölgede
Serbest-Elektron Lazeri, (TTF FEL) VUV bölgesinde SEL, (LCLS FEL) X-ışını SEL,
(TESLA FEL) super-iletken lineer hızlandırıcı temelinde X-ışını SEL.
Çıktı: Ana çıktı dosyası ASCII formatında ve üç kısımdan oluşuyor: başlık, genel
parametreler ve her bir dilim için parametreler.
Çalıştırma: genesis ↵
input: tesla.in ↵
output: orhan_tesla.ou↵
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar&newrun Tartışma/Sonuç
Genesis 1.3
Salındırıcı, elektron demeti, ışınım, parçacık
yükleyici, ağ (mesh), odaklama, zaman
bağımlılığı, simülasyon kontrolü, tarama ve
giriş-çıkış kontrol parametreleri olmak üzere
toplam ~ 100 parametresi vardır. Yanda
tesla.in girdi dosyası verilmiştir.
Genesis’in çıktı dosyası ayrı bir grafik programı ile
görsel hale getirilebilir. Bunun için IDL Virtuel
Machine http://www.rsinc.com/idlvm/ programı
gibi
grafik
programları
kullanılmaktadır.
Aşağıda bu şekildeki bir program kullanılarak
oluşturulmuş
VISA FEL ışıma gücü grafiği
görülmektedir.
AW0
= 2.830000D+00
XKX
= 0.000000D+00
XKY
= 1.000000D+00
XLAMD = 4.500000D-02
FBESS0= 7.344060D-01
IWITYP=
0
AWD
= 2.830000D+00
NPART = 8192
GAMMA0= 4.892368D+04
DELGAM= 4.892368D+00
RXBEAM= 4.362386D-05
RYBEAM= 4.692457D-05
ALPHAX= -9.424103D-01
ALPHAY= 1.088426D+00
EMITX = 1.600000D-06
EMITY = 1.600000D-06
XLAMDS= 8.468687D-11
PRAD0 = 3.820944D+03
ZRAYL = 3.796892D+01
ZWAIST= 0.000000D+00
NCAR = 151
RMAX0 = 9.000000D+00
NBINS =
4
NSCR =
0
NSCZ =
0
NPTR =
40
NWIG = 100
ZSEP = 1.000000D+00
DELZ = 4.000000D+00
NSEC =
50
ZSTOP = 250
MAGIN =
1
QUADF = 3.000000D+01
QUADD = 3.000000D+01
FL
= 4.000000D+00
DL
= 4.000000D+00
DRL
= 4.000000D+00
F1ST = 0.000000D+00
CURPEAK= 5.000000D+03
ITDP =
0
ISRSIG=
1
MAGINFILE= tesla.lat
$end
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
GINGER
Çok boyutlu (alanlar için r,z,t ve makroparçacıklar için
x,y,z,t) polikromatik FEL simulasyon kodudur.
• Kullanım klavuzu web adresinde http://www-ssrl.slac.
stanford.edu/lcls/technotes/LCLS-TN-04-3.pdf
bulunabilir.
• Programın çıktılarının grafiksel olarak izlenmesi için
XPLOTGIN programı kullanılmaktadır.
• FORTRAN 90 ile yazılmıştır. Programın dağıtımı
NERSC tarafından yapılmaktadır, yazarından istek
üzerine elde edilebilir. Windows, Linux vd.
platformlar için yazılımlar vardır. Programın istek
adresi [email protected] ‘ dur.
• Programın çalıştırılması xginger –r run_name
şeklindedir.
• GINGER çalıştırıldığında bir veri dosyası datfile
oluşturacaktır. Bir grafik programı ile veriler
görüntülenebilir.
•
Fortran
ve
C
programlama
ile
grafiklerin
oluşturulması için yardımcı bir program DISLIN
http://www.linmpi.mpg.de/dislin/ adresinden elde
edilebilir, programın kendi grafik subroutine ve
fonksiyonları kullanılmaktadır.
Tartışma/Sonuç
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Ginger’ın Windows Altında Çalıştırılması
Ginger sürümü: gnx_20031231-f
Çalıştırma: xginger r=“çalışma_adı” [i=“girdi dosyası”] [b=“bw
dosyası”] [t=“örnek dosya”] [f=“alan dosyası”] [rs=“yeniden
baslama dosyası”] [v={özel girdi dosyası}]
Örnek:
xginger
v={current=3350.}
r=orhan1
i=infakt3
b=bwfakt3
Sonuç: datorhan1 ve spcorhan1 dosyaları oluşmaktadır. Burada
datorhan1 dosyasından gnuplot ile grafik çizilebilir.
Lazer gücünün z’ye göre
değişimi
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
PROMETEO
SEL dinamik denklemlerinin Neil formülünü ve Prosnitz, Szoke’nin
değiştirilmiş versiyonununa dayalı çok parçacıklı bir boyutlu simülasyon
programıdır. Orijinal model demet emittansının etkilerini ve salındırıcı
hatalarını içerecek şekilde genelleştirilmiştir. Osilatör ve SASE SEL
modlarında salındırıcı ve optik klaystron ve bölmeli undulatörleri
içerecek şekilde temel ve yüksek dereceli harmoniklerin hesaplamasında
kullanılır.
•Bu SEL simulasyon programlarının (GINGER, MEDUSA, PROMETEO)
karşılaştırmalı
analizleri
SLAC-PUB-9439
(2002)
önbasımından
bulunabilir.
•Yazarından istek üzerine program ve kullanım kılavuzu elde edilebilir,
[email protected]
•Kullanım kılavuzu şeklinde bir teknik rapor bulunmaktadır: G. Dattoli,
M. Galli, and P.L. Ottaviani, “1-dimensional simulation of FEL including
high gain regime saturation, prebunching and harmonic generation”,
ENEA internal report RT/INN/93/09 (1993).
Birinci ve üçüncü harmonik gücün yüksek kazanç
rejiminde hesabı: λu=6 cm, K=1.4, J=1.041×1010
A/m2; e-demeti bağıl enerji yayılımı σε =5×10−4 (1-D
program PROMETEO).
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
ELEGANT PAKETÇİK SIKIŞTIRICI
ELEctron Generation ANd Tracking (ELEGANT), parçacık
dağılımlarını üretmede ve onları izlemede kullanılan 6D
hızlandırıcı programıdır. Hızlandırıcıları tanımlamak için
MAD programının giriş formatını kullanır. Bunlar iletim
hatları, dairesel makineler veya bunların birleşimi olabilir.
Sürüm: 15.1.1
Yazılım: Program C dili ile yazılmıştır. Web adresi
http://www.aps.anl.gov/asd/oag/software.shtml
Ortam: Windows ve linux işletim sistemleri ile çalışır.
Kullanım Kılavuzu: yukarıdaki web adresinden html
formatında görüntülenebilir.
Çalıştırma: Program komut satırından çalıştırılıyor.
Örneğin, elegant dtSweep opsiyon şeklinde çalıştırmadan
sonra çıktı dosyası elde ediliyor. Yanda dtSweep.ele girdi
dosyası verilmiştir. Bu girdi dosyasının yapısı,
&<namelist-name>
<variable-type> <variable-name> = <defaultvalue>;
...
&end
şeklindedir. Elegant çıktıları SDDS paket programı
yardımıyla görüntülenebilir. Bu program da yukarıdaki web
sayfasından istek uzerine indirilebilmektedir.
Tartışma/Sonuç
&run_setup
lattice = dtSweep.lte,
default_order = 2,
use_beamline = LINAC,
rootname = dtSweep,
final = %s.fin,
p_central = 107.6
&end
&run_control
n_indices = 1,
reset_rf_for_each_step = 0,
first_is_fiducial = 1
&end
&vary_element name=malin,
item=dt, enumeration_file =
dtSweep.sweep,
enumeration_column = Dt
&end
&bunched_beam
n_particles_per_bunch =
10000,
one_random_bunch=1,
emit_x = 4.6e-8,
emit_y = 4.6e-8,
beta_x = 10, alpha_x = 1,
beta_y = 10, alpha_y = 1,
sigma_dp = 0.001,
sigma_s = 650e-6,
distribution_type[0] =
3*"gaussian",
distribution_cutoff[0] = 3*3,
symmetrize = 1,
enforce_rms_values[0] = 1,1,1,
&end
&track &end
Giriş
EGS
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
RADYASYON GÜVENLİĞİ
Electron Gamma Shower (EGS), birkaç
keV’den TeV’e kadar enerjilerde parçacıklar
için istenen bir geometride elektronların ve
fotonların çiftli yayılımlarının simulasyonunu
yapan genel amaçlı bir program paketidir.
Uygulandığı alanlar yüksek enerji fiziği ve
medikal fizik. Bu programa bazen, klinik
radyasyon dozimetresi için bir standart
olarak bakılmaktadır.
Sürüm: 4
Sistem: Windows, Linux
Dağıtım:
http://www.slac.stanford.edu/egs/egs4_sourc
e.html
Kullanım Kılavuzu:
http://www.slac.stanford.edu/egs/docs/pdf/nrcpirs0436.pdf
, web üzerinden
http://www.irs.inms.nrc.ca/inms/irs/BEAM/egs_windows/sld001.htm
program hakkında bir ön bilgi elde edilebilir.
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Türk Hızlandırıcı Merkezi (THM)
Türk
Hızlandırıcı
Merkezinde (THM) :
• e- linak (1 GeV)
• e+ halka (3.56 GeV)
Dairesel Hızlandırıcıların iki önemli özelliği (tasarım),
•Yörünge yarıçapının sabit olması, SR
•Eşzamanlılık
Linakların iki önemli özelliği,
• Linak boyu, Alan gradyenti, ~O(100)
V/m
• Yüksek yoğunluklu demet, <1 mikron
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Basit Makine Tanımlaması (MADX format)
Dipol ve
quadrupol
tanımları
Halkadaki
elemanların
merkezi
konumları
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Depolama Halkası, YENİ
Enerji (GeV)
3,56
Çevre (m)
264
Demet Akımı (mA)
216
Tur Başına Enerji Kaybı
(keV)
Sönüm Zamanları tx,ty,tz (ms)
1163,2
5.4 , 5.4 , 2.6
Ayar (Qx,Qy)
11.5 , 2.4
Chromaticity ηx,ηy
-18 , -39 Sinkrotron Ayarı
0.1
Harmonik Sayısı
442 RF Frekansı (MHz)
500.25 Enerji Yayılması (%)
0.09 Momentum Compaction
Yayınım (nm rad)
0.0043 20 Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Işınım Kaynaklarının Simulasyonunda
Kullanılan Diğer Programlar
Bu yazılımların hangi ortamda çalıştıkları ve genel anlamda ne
yaptıkları aşağıda tanımlanmıştır.
XOP, SPECTRA (Windows)
Eğici magnet, salındırıcı magnet ve zigzaglayıcı magnet ışınımlarını,
özellikle elektron demeti parametreleri ile ilişkilendirerek, ışınımın akı,
parlaklık güç v.b. fiziksel
parametreleri incelemeye yarayan bir
program.
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
PARALEL HESAPLAMA ve SİMULASYON:
Paralelleştirilmiş ASTRA Programının
Kullanılması
Örnek bir yapı:
ikinci yapı:
11 makine, herbiri
11 makine, herbiri
2x Intel Pentium IV (2
GHz)
1 GB memory
tac1s0
tac101
…
tac110
geliştirme
hesaplama
hesaplama
2x Intel Pentium IV (2 GHz)
1 GB memory
tac2s0 geliştirme
tac201 hesaplama
…
tac210 hesaplama
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Yazılım
●
●
●
MPI “the Message Passing Interface”,
paralel programlamayı destekleyen
kütüphanelerin bir standartıdır.
Astra MPICH kütüphanesini kullanır ve
Unix/Windows sistemlerde çalışabilir.
Astra statik linkli ikili dosyalar olarak
bulunmaktadır, tek işlemcide çalıştırırken
MPICH çerçevesi gerekli değildir.
process A
MPI_Send(…)
process B
MPI_Recv(…)
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Parallelleştirme Şeması
●
●
İzleme (tracking) süreci sıralıdır,
herbir izleme adımı en sonuncuya
bağlıdır.
İşi paralelleştirme N parçacığı P
işlem arasına dağıtmaktır.
single
process
N
particles
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Performans
P proses kullanmak çalışma zamanını T den T/P’ye azaltır.
However, some tasks cannot be carried out in parallel:
Disk I/O – faz uzayı dosyalarının yazımı vs.
Ağ I/O – prosesler arasında iletişim
Tüm parçacık operasyonları – emittans hesabı, uzay yükü alanı
proses 0
parcacik 0…N/P-1
proses 1
parcacik N/P…2N/P-1
…
…
proses N-2
parcacik (N-2)N/P…(N1)N/P-1
proses N-1
parcacik (N-1)N/P…N
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
Çalıştırma:
Login tacs0 veya tac2s0.
Astra’yı başlatın, 20 işlemci kullanıma
girecekir.
●
mpirun –np 20 Astra
dosyaadı.in
Örnek: 10 m drift 200 000 parçacık, 100
emittans hesabı,
bir işlemcide 3 saat zaman alırken, 20
işlemcide 12.5 dakika alacaktır.
Giriş
Hızlandırıcı
Simulasyon
Programlar
Tartışma/Sonuç
International Computational Accelerator Physics Conference
(ICAP)
Hızlandırıcı tasarımı ve simulasyonlar ile ilgili bazı linkler,
http://www.slac.stanford.edu/xorg/icap98/
(Sept. 14-18, 1998, Monterey, California, USA)
http://icap02.pa.msu.edu/
(October 15-18, 2002, MSU, USA)
http://www.icap.compmath.spbu.ru/
(June 29-July 2, 2004, St. Petersburg, Russia)
http://icap2006.web.cern.ch/icap2006/
(October 2-6, 2006, Chamonix Mont-Blanc, France)
http://icap2008 ?
SONUÇ olarak,
Günümüz hızlandırıcıları ileri teknoloji ürünü, birçok uygulamanın
yapılabildiği makineler olduğundan, hızlandırıcı fiziği ile ilgili sayısal
hesaplamalar
da
oldukça
önemlidir.
Hızlandırıcı
için
bir
model
belirlendikten sonra programlama dilleri veya program paketleri
kullanarak tasarım çalışmaları yapılabilir, simulasyon ise en iyi
(optimal) tasarımı bulmada yardımcı olmaktadır. Öncelikle, kullanılacak
programın kılavuzu öğrenilmeli, ortam değişkenleri tanımlanmalı ve
başka paketlere ihtiyaç duyup duymadığı belirlenmelidir. Daha sonra,
simulasyon için programın çalışabileceği girdi dosyaları hazırlanıp,
çoklu bilgisayar ortamında iş tanımlama dosyaları hazırlanabilir.
Yapılan
tasarımların
uluslararası
ortamlarda
tartışılması,
uluslararası işbirliğine girilmesi, düzenlenen kongre, çalıştay ve yaz
okullarına öğrencilerin katılımının sağlanması Ülkemizde bu alanın
gelişmesi için oldukça önem taşımaktadır.
Teşekkürler ...