Диссертация (1149463), страница 10
Текст из файла (страница 10)
В программе используется система координат (2.3.1).COSY Infinity поддерживает большинство магнитных и электростатических элементов современных ускорителей:• квадруполи, секступоли, октуполи и мультиполи произвольных порядков, как электростатические, так и магнитные;• поворачивающие элементы: магниты и электростатические дефлекторы;• статические фильтры Вина;• ВЧ-резонаторы;• соленоиды и другие элементы.Возможно моделирование элементов с учетом краевых полей.
Для моделикраевых полей используются функции Энге (2.3.14).Приведем пример программы на языке FOX для расчета траекториипротона с энергией 1 ГэВ в магнитной ФОДО-структуре (фокусирующийквадруполь — свободный промежуток — дефокусирующий квадруполь —свободный промежуток):INCLUDE ’COSY’;{использовать пакет cosy.fox}PROCEDURE RUN;OV 5 3 0;{5 порядок вычислений, 3-мерное пространство}RP 1000.0 1.00728462 1.0;{энергия и масса равновесной частицы: протоны 1ГэВ}UM;{задание единичного отображения}MQ 0.2 1 0.01; {магнитный квадруполь, длина 20см, потенциал 1кВ, аперт.
1см}DL 0.5;{свободный промежуток длиной 0.5м}MQ 0.2 -0.8 0.01;{дефокусирующий квадруполь}75DL 0.5;sr 0.001 0 0 0 0 0 0 0 1;{свободный промежуток длиной 0.5м}{задание начальных координат частицы: x=1мм}tr 100000 1 1 2 1 2 0 0 -1000;{расчет траектории частицы за 100000 оборотов}ENDPROCEDURE;RUN;END;Опыт использования COSY Infinity в Институте ядерной физикиг. Юлих показал корректность результатов, полученных с использованиемпрограммы [66]. Проведено сравнение результатов, полученных при помощи COSY Infinity и при помощи интегрирования уравнений движения [117,53]. Тем не менее, следует отметить сложность использования программыи необходимость тщательной проверки полученных результатов. Кроме того, модуль динамики пучков cosy.fox при расчете движения не учитываетвлияние ЭДМ частицы на движение спина.В рамках диссертационного исследования был разработан комплекс программ RSX, предоставляющий графический интерфейс к COSY Infinity,построенный на идеологии виртуального ускорителя.
Для расчетов задач,возникающих при проектировании ускорителя для измерения ЭДМ, в модуль cosy.fox были включены процедуры, позволяющие учитывать влияниеЭДМ на спин соответственно уравнениям (1.1.6).3.2Концепция виртуального ускорителяЧисленное моделирование движения заряженных частиц в ускорителяхиграет важнейшую роль в разработке современных ускорительных комплексов.
Проектирование установок для различных целей привело к пересмотру самого процесса разработки и обслуживания ускорителей. Существование таких сложных и дорогих систем невозможно без соответствующей вычислительной поддержки как на этапе проектирования, так и на76этапе функционирования. Для повышения эффективности вычислительных процессов были разработаны различные технологии (в первую очередьможно упомянуть проект EPICS [32]), позволяющие интегрировать программное и аппаратное обеспечение, используемое для разработки и функционирования управляющих систем больших научных установок, в одинкомплекс. Использование подобных комплексов возможно в случае соответствия математической модели реальным данным с экспериментальнойустановки.Виртуальный ускоритель — суть комплекс программ, позволяющийпредсказать поведение реального ускорителя при помощи различных методов численного моделирования, а также оценить требуемые настройкиуправляющей системы для достижения требуемого пучка, в зависимостиот эксперимента.
[119]. Для сложной системы управления численное моделирование является очень трудоемким процессом и вычислительные затраты требуют использования высокопроизводительных методов вычисленияс использованием суперкомпьютерных кластеров или распределенных систем типа GRID [118]. В процессе разработки ускорителя рассматриваютсяразличные эффекты, такие как вертикальная, горизонтальная и продольная устойчивость, влияние собственного заряда пучка на движение, рассеяние ускоряемых частиц на остаточном газе, синхротронное излучение идругие.После появления первых вычислительных машин большая часть моделирования проводится на программах моделирования, одной из первыхпрограмм для моделирования движения в ускорителе был разработанныйв 1979 году пакет TRANSPORT [22]; с тех пор было разработано множество других программ.
Многие программы предназначены для расчетовспециализированных задач, также существуют универсальные программыдля моделирования динамики пучков. Все программы разработаны для77различных аппаратных платформ, но большинство из них может быть слегкостью портировано на современные архитектуры, так как большинствопрограмм написаны на языке Fortran, который является распространеннымязыком программирования в научной среде и выпускается для различныхоперационных систем.Для описания структуры ускорителя, т.е. расположения фокусирующихи дефокусирующих квадруполей, поворачивающих магнитов, ВЧ-станций,свободных промежутков, секступолей, и других элементов, к сожалению несуществует унифицированного формата; кроме того программы для моделирования используют различные системы координат, а также специфические форматы выходных данных.
Предпринимаются попытки созданияунифицированного языка, например проект AML1 [88], SXF2 [45], но нанастоящее время эти языки не получили широкого распространения.Таким образом, перед использованием какого-либо пакета для моделирования пользователь должен изучить специфику применения данногопакета в каждом конкретном случае. Концепция виртуального ускорителяпозволяет использовать возможности программ для численного моделирования при помощи «одного окна», предоставляющего пользователю унифицированный интерфейс. Единый интерфейс может быть использован какпри разработке ускорителя, так и при управлении функционирующей установкой.Для управления реальными установками концепция виртуального ускорителя используется в таких комплексах, как DLCS3 [50], TPS4 [28], SNS5 [99]и многих других.
Разработка подобного программного обеспечения позволяет создать реалистичную среду для экспериментальных физиков.1AML — Accelerator Markup Language — язык разметки ускорителяSXF — Standard eX-change Format — стандарт формата для обмена3DLCS — Dalian Compact Light Source — компактный синхротронный источник в Даляне, Китай4TPS — Taiwan photon source — синхротронный источник в Синьчжу, Тайвань5SNS — Spallation Neutron Source — нейтронный источник, Оук-Ридж, Теннесси, США2783.3Структура программного комплексаКак описано в разделе 3.1, для изучения спин-орбитального движенияв электростатическом ускорителе программа моделирования COSY Infinityявляется лучшим выбором из существующих пакетов, поэтому она была выбрана в качестве вычислительного ядра программного комплекса.Каждый элемент ускорителя может быть представлен в виде матричногоотображения, которое является оператором преобразования фазового пространства.
Матричные отображения каждого элемента вычисляются припомощи методов дифференциальной алгебры, как описано в разделе 2.3,отображение ускорителя вычисляется при помощи конкатенации отображений всех элементов. Полученное при помощи COSY Infinity матричноеотображение всего кольца может быть использовано для вычисления численных характеристик структуры, таких как частоты бетатронных колебаний, хроматичность, коэффициент расширения орбиты и др. Также матричные отображения используются для вычисления траекторий частиц,что может быть проделано на многопроцессорных вычислительных кластерах.
Перед использованием COSY Infinity пользователь должен изучитьсинтаксис описания элементов, особенности задания начальных данныхпучка, использование матричных отображений для вычисления характеристик, что является трудоемким процессом.После вычисления траекторий пучка обычно требуется провести анализполученных данных. Например, при расчете электростатического накопительного кольца для поиска ЭДМ для каждого изменения начальной структуры требуется вычислить спиновые частоты и время декогеренции спина.Анализ данных вручную является длительным процессом, но вычислениемногих величин может быть полностью автоматизировано. После анализапользователь получает наглядное представление требуемых величин.79Для унификации доступа к моделирующему программному обеспечению был разработан программный комплекс RSX, предоставляющий пользовательский интерфейс к вычислительному ядру, подготовку исходныхкодов для COSY Infinity, параллельное выполнение вычислительных задач,обработку данных, автоматизацию и хранение в базе данных результатовисследований.Проведение вычислительного эксперимента.
Для автоматизациивычислительного эксперимента программный комплекс позволяет пользователю задать структуру ускорителя, сохранить ее в базе данных и в линейном приближении вычислить характеристики структуры. Если полученные характеристики удовлетворяют пользователя, то система предоставляет пользователю возможность подробно изучить динамику пучкапри помощи вычисления траекторий движения в ускорителе и дальнейшегоанализа данных. Экспериментатор может выбрать начальное распределение частиц в пучке (нормальное или равномерное распределение частицв фазовом пространстве), начальную поляризацию, количество оборотовпучка в кольце, выбрать метод симплектификации и порядок вычисленияматричных отображений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
