Für Synchrotron-Lichtquellen gilt: Je heller, desto besser. Durch die Verwendung heller Strahlen in ihrem Beschleuniger können die Forscher der Synchrotron-Einrichtung Advanced Photon Source (APS) effizient detaillierte Daten sammeln. In Zusammenarbeit mit den APS-Ingenieuren erstellt und verteilt Nicholas Goldring von RadiaSoft LLC Simulations-Apps zur Entwicklung von für die APS relevanten Vakuumkammern. Hier finden Sie eine Videoaufzeichnung und eine Zusammenfassung seines Keynote-Vortrags auf der COMSOL Conference 2018 Boston.
Nicholas Goldring spricht über Simulations-Apps für das Synchrotron-Design
Helligkeitsoptimierung der Elektronenstrahlen in der Synchrotron-Einrichtung APS
RadiaSoft LLC modelliert und entwirft Teilchenbeschleuniger und Röntgenstrahlführungen und arbeitet derzeit mit dem Argonne National Laboratory an der Verbesserung der Simulation von Vakuumkammern. Das Ziel des APS-Upgrades ist die Verbesserung der Helligkeit der Röntgenstrahlen, was laut Goldring „ein Gütemaß für Synchrotron-Lichtquellen“ ist. Um die Strahlenintensität zu erhöhen, müssen die Polspitzen des Ablenkmagneten näher an die Elektronenstrahlachse heranrücken, was wiederum kleinere Vakuumkammern erfordert. Für das neue Design müssen die Kammern von 190 mm auf 22 mm verkleinert werden, wodurch das Verhalten des Synchrotrons noch komplexer wird. Goldring erklärt: „Wir haben nicht nur einen viel helleren Strahl und eine höhere Intensität der Röntgenstrahlung, die Vakuumkammern müssen auch kleiner sein. Das führt zu komplexen gekoppelten physikalischen Phänomenen, wie hohen thermischen Spannungen, photonenstimulierter Desorption und elektromagnetischen Wakefields.“
Aus dem Video: Nicholas Goldring erläutert die Strahlenhelligkeit (oben rechts) und die Vakuumkammern (unten rechts) vor und nach dem Upgrade.
Um das Verhalten des APS-Synchrotrons und anderer Beschleuniger präzise zu simulieren, erstellt RadiaSoft Modelle, macht daraus Simulations-Apps und verteilt diese dann an die Projektbeteiligten.
Design-Upgrade der Beschleuniger mit Simulations-Apps und COMSOL Server™
Die Synchrotron-Vakuumkammer ist ein echtes Multiphysik-Problem, aber bei einer typischen Simulation eines Beschleunigers, so Goldring, „gibt es viele verschiedene Codes […] und sie sind hoch spezialisiert“ – in der Regel auf einen physikalischen Prozess. Dies ist problematisch, da das Hin- und Herwechseln zwischen den Simulationen fehleranfällig und zeitaufwändig ist.
Um dieses Problem zu lösen, verwenden die Ingenieure von RadiaSoft die Software COMSOL Multiphysics® für Raytracing, thermische Analysen, molekulare Strömungsmodelle und mehr. Nachdem sie ein Modell erstellt haben, wandeln sie es in eine Simulations-App um und verteilen diese mit dem Bereitstellungsprodukt COMSOL Server™. So können auch Wissenschaftler und Ingenieure, die mit den Codes oder COMSOL Multiphysics nicht vertraut sind, ihre eigenen Simulationen durchführen.
Goldring zufolge erleichtert ihm das Interface des Application Builder durch die Möglichkeit, „viele verschiedene Modellobjekte per Drag-and-Drop auf eine Leinwand zu ziehen“, die Arbeit. Darüber hinaus kann eine App mittels der integrierten Entwicklungsumgebung Java® weiter verfeinert werden, etwa durch Implementierung eigener Algorithmen. Weiter sagt Goldring: „COMSOL® hat ein umfangreiches [Application Programming Interface], aber sie erleichtern den Zugang dazu durch die Aufzeichnung von Methoden.“ Kollegen können über COMSOL Server™ einfach auf die Apps, die sich auf den cloudbasierten Servern von RadiaSoft befinden, zugreifen, was laut Goldring „sehr gut funktioniert.“
Beispiel: Strahlen in einer Vakuumkammer
Die erste App, die Goldring vorstellt, ist für die Strahlen in der neu entwickelten Vakuumkammer. Die App-Nutzer können eine Reihe von Parametern festlegen:
- Elektronenstrahlquelle
- Bogenlänge des Strahls
- Biegeradius
- Energie des Strahls
- Stärke der Dipolmagnete
Auf der Grundlage dieser (und anderer) Eingaben zeigt die App die Temperatur in der Kammer sowie die Energie- und Leistungsverteilung der Strahlen an. Goldring dazu: „Die Leistungsverteilung der Synchrotronstrahlung ist ziemlich kompliziert, vor allem, wenn sie entlang der Elektronenbahn verläuft. Deshalb ist es oft nützlich, die Verteilung an verschiedenen Punkten dazustellen.“
Aus dem Video: Nicholas Goldring zeigt die App für die Vakuumkammer.
Durch die Bereitstellung ihrer Simulations-Apps mit COMSOL Server™ erleichtert RadiaSoft Wissenschaftlern und Ingenieuren das Testen und Optimieren ihrer Beschleuniger-Designs.
Dieses Material basiert auf Arbeiten, die vom U.S. Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, unter der Award Number DE-SC0015209 unterstützt werden.
Um mehr darüber zu erfahren, wie RadiaSoft Multiphysik-Modellierung und -Apps zur Verbesserung des APS-Synchrotrons einsetzt, sehen Sie sich das Keynote-Video am Anfang dieses Beitrags an und besuchen Sie die RadiaSoft-Website.
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