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Gitterfreie Simulation von Raumladungseffekten in Teilchenstrahlen

Schmid, Steffen Alexander (2022):
Gitterfreie Simulation von Raumladungseffekten in Teilchenstrahlen. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00021129,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Gitterfreie Simulation von Raumladungseffekten in Teilchenstrahlen
Language: German
Abstract:

Der Betrieb eines Teilchenbeschleunigers setzt ein detailliertes Verständnis für die Strahldynamik der Anlage voraus und erfordert dementsprechend theoretische Strahldynamikmodelle. Oftmals erweisen sich numerische Simulationen aufgrund der komplizierten Abhängigkeiten verschiedener Effekte als die einzige praktikable Vorgehensweise. Der Fokus dieser Forschungsarbeit liegt auf der Entwicklung von numerischen Methoden zur Simulation der Raumladungseffekte eines Teilchenstrahls. Die meisten Standardmethoden erfordern ein Rechengitter, um die Raumladungswechselwirkung zu approximieren. Unter Umständen könnte eine Approximation des Teilchenstrahls durch die diskrete Ladungsdichteverteilung eines Gitters zu numerischen Artefakten und Instabilitäten führen. In dieser Arbeit werden spezialisierte gitterfreie Verfahren für Strahldynamiksimulationen entwickelt, für welche derartige Probleme nicht auftreten. Diese Verfahren werden weiterhin bezüglich ihrer Anwendbarkeit für konkrete Problemstellungen in Elektronenbeschleunigern untersucht. Das erste Verfahren nutzt die schnelle Multipolmethode (engl. Fast Multipole Method, FMM), um eine hierarchische Näherung für das quasi-elektrostatische Raumladungsfeld des Teilchenstrahls zu berechnen. Zu diesem Zweck werden die Fernfeldwechselwirkungen numerisch effizient durch Multipolentwicklungen dargestellt. Alle Nahfeldwechselwirkungen werden hingegen durch direkte Teilchen-Teilchen Berechnungen vollständig aufgelöst. Aufgrund der hohen numerischen Effizienz eignet sich das FMM Verfahren für Simulationsstudien auf gewöhnlichen Computern. Anwendungsstudien zum DESY-PITZ und DESY SRF Photoinjektor zeigen typische Szenarien für das neu entwickelte FMM Simulationsprogramm. Vergleichstests mit zwei etablierten Programmen, welche eine gitterbasierte Methode nutzen, demonstrieren die Validität der Simulationsergebnisse. Außerdem zeigt die Studie, dass die FMM Approximation im direkten Vergleich eine detailliertere Auflösung der Raumladungswechselwirkungen liefert. Das zweite Verfahren nutzt ein Teilchen-Teilchen basiertes Liénard-Wiechert (LW) Modell, um eine vollständig elektromagnetische Lösung für das Raumladungsfeld des Teilchenstrahls zu berechnen. Aufgrund der hohen numerischen Komplexität erfordern derartige Simulationen die Verwendung eines MPI parallelisierten Großrechners. Eine Simulationsstudie zum THz SASE freie Elektronen Laser (FEL) bei DESY-PITZ zeigt, wie das LW Modell die Dynamik, die strahlungsinduzierte Mikrostrukur und das emittierte Strahlungsfeld eines Elektronenstrahls abbildet. Hierbei ist bemerkenswert, dass das LW Modell den FEL Prozess ab initio ausschließlich auf Basis der relativistischen Raumladungswechselwirkung reproduziert.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The operation of a particle accelerator relies on a detailed knowledge on the beam dynamics of the machine and, therefore, requires theoretical beam dynamics models. Due to the complex dependencies of various effects, numerical simulation studies often are the only feasible approach. The focus of this research is the development of numerical methods for simulating the space charge effects of a particle beam. Most common methods depend on a computational grid to approximate the space charge interaction. Under certain circumstances, the approximation of a particle beam with a discretized charge distribution on a mesh might lead to numerical artifacts or even instabilities. This work presents the development and application of two specialized meshfree techniques for which such problems do not occur. Furthermore, the meshfree techniques are specifically tested for simulation studies of electron accelerators. The first technique uses the Fast Multipole Method (FMM) to compute a hierarchical approximation of the particle beam’s quasi-electrostatic space charge field. For this purpose, multipole expansions provide a numerically efficient representation of the far field interactions. The near-field interactions, however, are fully resolved by direct particle-particle computations. The high numerical efficiency of the FMM makes this technique suitable for simulation studies on conventional computers. Applied studies for the DESY-PITZ and the DESY SRF photoinjector show typical use cases for the newly developed FMM simulation program. Benchmark tests with two well-established programs, which rely on a mesh-based method, demonstrate the validity of the results. Furthermore, the study shows that the FMM approximation provides a comparably more detailed resolution of the space charge interactions. The second technique uses a particle-particle based Liénard-Wiechert (LW) model to compute a fully electromagnetic solution of the particle beam's space charge field. Due to numerical complexity, such simulations require a MPI parallelized computing cluster. A simulation study of the THz SASE free electron laser (FEL) at DESY-PITZ shows that the LW model reproduces with high accuracy the beam dynamics, the radiation induced microstructure, and the emitted radiation field of the electron beam. It is notable that the LW model simulates the FEL process ab initio solely based on the relativistic space charge interaction.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xvii, 135 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields > Electromagnetic Field Theory (until 31.12.2018 Computational Electromagnetics Laboratory)
Date Deposited: 13 Apr 2022 12:15
Last Modified: 13 Apr 2022 12:16
DOI: 10.26083/tuprints-00021129
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-211290
Referees: Gjonaj, PD Dr. Erion ; De Gersem, Prof. Dr. Herbert ; Aulenbacher, Prof. Dr. Kurt
Date of oral examination: 9 September 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21129
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