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Data-driven simulation of magnetic fields in accelerator magnets

Fleig, Luisa (2024)
Data-driven simulation of magnetic fields in accelerator magnets.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028561
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Data-driven simulation of magnetic fields in accelerator magnets
Language: English
Referees: Schöps, Prof. Dr. Sebastian ; Russenschuck, Dr.-Ing. Stephan ; Kaltenbacher, Prof. Dr. Manfred
Date: 8 November 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xv, 149 Seiten
Date of oral examination: 7 October 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00028561
Abstract:

The accelerator complex operated at the European Organization for Nuclear Research (CERN) consists of thousands of normal- and superconducting electromagnets and permanent magnets, which are guiding, focusing, and defocusing the particle beams. In this context, the magnetic field usually has to meet high quality requirements allowing relative errors of only a few units in 10000. Simulations and measurements of magnet systems and their generated fields are used for operation. Despite the improvements in numerical methods and computing power in the last decades, simulated field predictions are insufficient for the operation of accelerator magnets, because the simulations are affected by aleatory and epistemic uncertainty as well as acknowledged and unacknowledged errors. For example, the knowledge of the underlying physical processes is often limited. Measurements on the other hand are affected by random and systematic uncertainties. To predict field-related quantities of interest (interpolation and extrapolation), and to gain insight into local quantities (introspection) that are not easily measurable, system models of accelerator magnets and their generated field have been developed that combine simulations with measurement data. By the combination of both approaches, some of their respective limitations can be overcome. This strategy is also known as hybrid modeling. Even though the system models of accelerator magnets found in the literature are heterogeneous, some common methods can be identified to build and adjust them. These include deterministic and stochastic model updating, solving inverse problems, and addressing their ill-posedness. Applying these methods, three system models of accelerator magnets in the static operation mode are derived in this thesis, focusing on different aspects. First, we use a data-driven stochastic B(H)-curve model, based on permeameter measurements of yoke material specimens and the Karhunen-Loève expansion, to regularize by low-rank approximation the updating of the yoke’s B(H)-curve. Second, the permanent magnetizations in a three-dimensional system model of the first short Halbach dipole of the FASER experiment are updated with Bayesian inference. We show that the mismatch between the measured and the predicted higher-order multipole coefficients can be explained by adjusting the magnetizations in the range of their manufacturing tolerances. The third application addresses the field description in curved magnet systems, where the classical field description based on the circular harmonic expansion fails. The toroidal harmonic expansion is a well-known alternative, but algorithms to determine its coefficients based on field observations have rarely been studied. For this purpose, we derive and evaluate an identification approach based on linear least squares fitting and an identification method based on integration. The three derived system models follow the spirit of hybrid modeling by combining physics-based methods with data-based methods. Including knowledge obtained from measurements improves in all the studied use cases the field predictions of the system model, even outside the regime of the training data. The validation of this methodology in the context of accelerator magnets contributes to establishing more interconnections between the models, data sets, and physical objects operated at the TE-MSC-TM section at CERN.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Der am Europäischen Kernforschungszentrum (CERN) betriebene Beschleunigerkomplex umfasst Tausende normal- und supraleitende Elektromagnete sowie Permanentmagnete, welche die Teilchenstrahlen leiten, fokussieren und defokussieren. In diesem Zusammenhang muss das Magnetfeld in der Regel strengen Qualitätsanforderungen genügen, wobei relative Fehler von nur wenigen Zehntausendstel toleriert werden. Für den Betrieb der Magnete werden Messungen und Simulationen der Magnetsysteme und der von ihnen erzeugten Felder verwendet. Trotz der Fortschritte in numerischen Methoden und Rechenleistung in den vergangenen Jahrzehnten sind simulierte Feldvorhersagen für den Betrieb von Beschleunigermagneten weiterhin unzureichend. Die Simulationen sind sowohl mit bekannten und unbekannten Fehlern als auch mit aleatorischen und epistemischen Unsicherheiten behaftet, beispielsweise ist das Wissen über die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse oft begrenzt. Messungen wiederum sind mit zufälligen und systematischen Unsicherheiten behaftet. Um feldbezogene Größen vorherzusagen (Interpolation und Extrapolation) und um Einblicke in schwer messbare lokale Größen (Introspektion) zu erhalten, wurden Modelle von Beschleunigermagneten und den von ihnen erzeugten Feldern entwickelt, die Simulationen mit Messdaten kombinieren. Durch die Kombination beider Ansätze können einige der jeweiligen Einschränkungen überwunden werden. Diese Strategie wird auch als hybride Modellierung bezeichnet. Obwohl die Modelle von Beschleunigermagneten sehr verschieden sind, lassen sich einige gemeinsame Methoden zu ihrer Entwicklung und Anpassung erkennen. Dazu gehören deterministische und stochastische Modellaktualisierung sowie das Lösen inverser und nicht wohlgestellter Probleme. Unter Anwendung dieser Methoden werden in dieser Arbeit drei magnetostatische Modelle von Beschleunigermagneten entwickelt, die sich auf unterschiedliche Aspekte konzentrieren. Zuerst wird ein datengetriebenes stochastisches B(H)-Kurvenmodell, das auf Permeameter-Messungen von Materialproben des Jochs und der Karhunen-Loève-Entwicklung basiert, verwendet, um die Aktualisierung der B(H)-Kurve des Jochs durch eine Approximation mit niedrigem Rang zu regularisieren. Im zweiten Projekt werden die Permanentmagnetisierungen in einem dreidimensionalen Modell des ersten kurzen Halbach-Dipols des FASER-Experiments mit Bayes’scher Inferenz aktualisiert. Dabei wird aufgezeigt, dass die Diskrepanz zwischen den gemessenen und den vorhergesagten Multipolkoeffizienten höherer Ordnung durch die Anpassung der Magnetisierungen im Bereich ihrer Fertigungstoleranzen erklärt werden kann. Die dritte Anwendung befasst sich mit der Feldbeschreibung in gekrümmten Magnetsystemen, bei denen die klassische Feldbeschreibung basierend auf Multipolen in zylindrischen Koordinaten nicht richtig ist. Die toroidale harmonische Entwicklung ist eine bekannte Alternative, jedoch sind Algorithmen zur Bestimmung ihrer Koeffizienten anhand von Feldbeobachtungen bisher kaum untersucht worden. Zu diesem Zweck werden ein Identifizierungsansatz mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate und eine integralbasierte Identifizierungsmethode hergeleitet und beurteilt. Die drei entwickelten Modelle folgen dem Konzept hybrider Modellierung, indem sie physikbasierte Methoden mit datenbasierten Methoden kombinieren. Die Einbeziehung des aus Messungen gewonnenen Wissens verbessert in allen untersuchten Anwendungsfällen die Feldvorhersagen der Modelle, sogar über den Bereich der Trainingsdaten hinaus. Die Validierung dieser Methodik im Kontext von Beschleunigermagneten trägt dazu bei, eine engere Verbindung zwischen den Modellen, den Datensätzen und den physischen Objekten herzustellen, die in der TE-MSC-TM Abteilung am CERN betrieben werden.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-285618
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 621.3 Electrical engineering, electronics
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Accelerator Science and Electromagnetic Fields > Computational Electromagnetics
Date Deposited: 08 Nov 2024 13:46
Last Modified: 11 Nov 2024 06:54
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/28561
PPN: 523436211
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