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Eigenvalue Optimization with respect to Shape-Variations in Electromagnetic Systems

Herter, Christine Eva (2024)
Eigenvalue Optimization with respect to Shape-Variations in Electromagnetic Systems.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028783
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Eigenvalue Optimization with respect to Shape-Variations in Electromagnetic Systems
Language: English
Referees: Wollner, Prof. Dr. Winnifried ; Schöps, Prof. Dr. Sebastian
Date: 20 November 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 174, xxiii Seiten
Date of oral examination: 16 September 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00028783
Abstract:

In this thesis, we consider a freeform optimization problem of eigenvalues by means of shape-variations with respect to small deformations in order to find the optimal geometry in electromagnetic systems. This is motivated by the application of a particle accelerator cavity. We formulate an optimal control problem constrained by the mixed variational formulation by Kikuchi of the normalized time-harmonic Maxwell eigenvalue problem. By applying the method of mappings, we control the deformation of the domain. Moreover, we are interested in solving the optimization problem. Therefore, we first calculate the derivative of the reduced cost functional for a generalized eigenvalue optimization problem using the adjoint calculus. Then, we apply this approach to the considered freeform optimization problem constrained by the Maxwell eigenvalue problem. In order to solve this problem, we discuss two optimization methods. Here, we consider a gradient method and a damped inverse Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS) method, where we prove the positive definiteness of the operators which approximate the Hessian of the reduced cost functional for the latter. Further, we validate these methods on numerical examples to demonstrate the functionality of their implementation. We discuss the influence of the regularity parameters and a chosen target value on the optimization methods and on the final deformation of the considered domains. Finally, we discuss the extension of this approach to more realistic problems, such as a particle accelerator cavity, which was the motivation of this thesis. We present results on two-dimensional cavity domains and the extend this approach to three-dimensional problems.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Freiformoptimierung eines Eigenwertproblems abhängig von kleinen Formvariationen, um die optimale Geometrie in elektromagnetischen Systemen zu finden. Die Arbeit ist motiviert durch die Kavitäten eines Teilchenbeschleunigers, welche sensibel gegenüber kleiner Verformungsänderungen sind. Wir formulieren ein optimales Steuerungsproblem, das wir durch die gemischte Variationsformulierung des normierten zeitharmonischen Maxwell-Eigenwertproblems von Kikuchi beschränken. Dabei kontrollieren wir die Verformung des Gebietes durch Gebietstransformationen. Darüber hinaus sind wir an der Lösung des Optimierungsproblems interessiert. Dafür berechnen wir zunächst mithilfe des adjungierten Kalküls die Ableitung des reduzierten Kostenfunktionals für ein verallgemeinertes Eigenwertoptimierungsproblem. Anschließend wenden wir diesen Ansatz auf das konkrete Optimierungsproblem an, welches wir durch das Maxwell-Eigenwertproblem beschränken, und diskutieren zwei Optimierungsverfahren zur Lösung des Problems. Wir betrachten zum einen ein Gradientenverfahren und zum anderen ein gedämpftes inverses Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS)-Verfahren, wobei wir bei letzterem die positive Definitheit für die Operatoren beweisen, die den Hesse-Operator des reduzierten Kostenfunktionals approximieren. Wir validieren diese Methoden anhand numerischer Beispiele, um die Funktionalität ihrer Implementierung zu zeigen. Dabei diskutieren wir zunächst den Einfluss der Regularitätsparameter, die wir für das Optimierungsproblem verwenden. Außerdem untersuchen wir den Einfluss des gewählten Ziel-Eigenwertes auf die Verformung der betrachteten Gebiete. Abschließend diskutieren wir die Erweiterung dieses Ansatzes auf praktische Probleme, wie zum Beispiel einer Kavität eines Teilchenbeschleunigers, die die Motivation dieser Arbeit war. Wir zeigen Ergebnisse zu zweidimensionalen Kavitäten und erweitern diesen Ansatz auf dreidimensionale Probleme.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-287835
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 510 Mathematics
Divisions: 04 Department of Mathematics > Optimization
04 Department of Mathematics > Optimization > Nonlinear Optimization
Date Deposited: 20 Nov 2024 11:54
Last Modified: 20 Nov 2024 11:54
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/28783
PPN:
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