त्वरक भौतिकी सम्बन्धी सॉफ्टवेयर

कण त्वरक एक जटिल मशीन है जो कम ऊर्जा के मूलभूत आवेशित कणों की ऊर्जा को बढ़ाने के लिए प्रयुक्त होती है। त्वरक भौतिकी, भौतिकी की वह शाखा है जिसमें कण त्वरकों की के डिजाइन और उनके परिचालन से सम्बन्धित सभी भौतिक पहलुओं का अध्ययन किया जाता है। कण त्वरकों के डिजाइन और उनके परिचालन में सॉफ्टवेयरों की महती भूमिका है।

एक कण की गति वाले सॉफ्टवेयर

बहुत से कामों में कण त्वरक में केवल एक कण की गति का अध्ययन कर पाना भी बहुत सूचनाएँ प्रदान करता है। इस प्रकार के कुछ कोड निम्नलिखित हैं-

	एकल कण गतिकी	स्पिन ट्रैकिंग	टेलर मैप	सामूहिक प्रभाव (Collective Effects)	परिवर्धनीय	टिप्पणी
साँचा:rh | एक्सलरेटर टूलबॉक्स (AT),	Yes	Yes	No	Yes	Yes
साँचा:rh | ASTRA	Yes	No	No	Yes	Yes	साँचा:rh | For space-charge effects evaluation
साँचा:rh | BDSIM	Yes	No	No	No	Yes	साँचा:rh | For particle-matter interaction studies.
साँचा:rh | Beta	Yes	No	No	No	No	साँचा:rh | No longer maintained.
साँचा:rh | Bmad (contains PTC)	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes	साँचा:rh | Reproduces PTC's unique beam line structures
साँचा:rh | COSY INFINITY	Yes	Yes	Yes	No	Yes	साँचा:rh |
साँचा:rh | Elegant	Yes	No	No	Yes	No
साँचा:rh | MAD and MAD-X (includes PTC)	Yes	No	No	No	No
साँचा:rh | OCELOT	Yes	No	No	Yes	Yes
साँचा:rh | OPA	Yes	No	No	No	No
साँचा:rh | Propaga	Yes	No	No	No	Yes
साँचा:rh | PTC	Yes	Yes	Yes	No	Yes
साँचा:rh | SAD	Yes	No	No	No	No
साँचा:rh | SAMM	Yes	Yes	No	No	No
साँचा:rh | SixTrack	Yes	No	No	No	No	साँचा:rh | Can run on BOINC
साँचा:rh | TRACY and variants	Yes	No	No	No	No
साँचा:rh | Zgoubi	Yes	Yes	No	No	No

उपरोक्त स्तम्भों का परिचय

स्पिन ट्रैकिंग

Tracking of a particle's spin.

टेलर मैप्स (Taylor Maps)

Construction of Taylor series maps that can be used for simulating particle motion and also can be used for such things as extracting single particle resonance strengths.

सामूहिक प्रभाव (Collective effects)

The interactions between the particles in the beam can have important effects on the behavior, control and dynamics. Collective effects take different forms from Intrabeam Scattering (IBS) which is a direct particle-particle interaction to wakefields which are mediated by the vacuum chamber wall of the machine the particles are traveling in. In general, the effect of direct particle-particle interactions is less with higher energy particle beams. At very low energies, space charge has a large effect on a particle beam and thus becomes hard to calculate. The above simulation codes do not handle low energy space charge effects. See below for a list of programs that can handle low energy space charge forces.

परिवर्धनीयता (Extensible)

क्या इस सॉफ्टवेयर की क्षमता को आसानी से बढ़ाया जा सकता है?

स्पेस चार्ज कोड

ऊपर एकल आवेश की गतिकी वाले सॉफ्टवेयरों की चर्चा की गयी है। किन्तु वास्तविकता यह है कि त्वरक में कणों का समूह या गुच्छा चलता है, न कि एकल कण। जब कण समूह में होते हैं तो उनका आपस में अन्तःक्रिया (interaction) होती है जिसके कारण कण-पुंज का आकार बढ़ सकता है और गुच्छ की लम्बाई बढ़ सकती है या अन्तःपुंज स्कैटरिंग (intrabeam scattering) होती है। इसके अतिरिक्त स्पेस चार्ज के कारण बीम में अस्थायित्व (instabilities) आ सकता है और उसके कारण बीम-ह्रास भी हो सकता है। स्पेस चार्ज के प्रभाव को भी सम्मिलित करने के लिए प्रायः प्वासों समीकरण (Poisson equation) को ट्रैकिंग के दौरान कुछ-कुछ दूरी पर हल किया जाता है जिसके लिए पार्टिकल-इन-सेल (Particle-in-cell) तकनीक का प्रयोग किया जाता है। स्मरणीय है कि कण की ऊर्जा जब अधिक होती है तब स्पेस-चार्ज के कारण बीम के आकार और अस्थायित्व पर प्रभाव कम होता है। अतः अधिक ऊर्जा के आवेशित कणों की गति को मॉडल करने के लिए स्पेस-चार्ज प्रभाव की गणना सरल अल्गोरिद्मों की सहायता से की जा सकती है (जो अधिक तेज होते हैं)।

कम ऊर्जा वाले गुच्छों की गति से सम्बन्धित कुछ प्रमुख कोड निम्नलिखित हैं-

• ASTRA
• Tranft
• mbtrack
• ORBIT, PyORBIT
• Synergia
• IMPACT
• OPAL
• GPT
• VSim
• TraceWin
• WARP

उच्च ऊर्जा पर स्पेस चार्ज प्रभाव के कारण अन्य बातों के अलावा ताउसेक प्रकीर्णन (Touschek scattering) तथा कोहेरेन्ट सिन्क्रोट्रॉन रेडिएशन (CSR) प्रभाव देखने को मिलते हैं। उच्च ऊर्जा वाले कण-चुच्छों में स्पेस चार्ज प्रभाव की गणना करने वाले कुछ कोड निम्नलिखित हैं-

• ELEGANT
• MaryLie
• SAD

प्रतिबाधा की गणना करने वाले कोड

समूहिक प्रभाव को प्रतिबाधा के रूप में भी अभिव्यक्त किया जाता है। अतः त्वरक के लिए इस प्रतिबाधा की गणना करना एक महत्वपूर्न कार्य है। इस कार्य के लिए प्रमुख कोड ये हैं-

• ABCI
• ACE3P
• CST
• GdfidL
• TBCI
• VSim

चुम्बक एवं अन्य वस्तुओं को मॉडल करने वाले कोड

कण त्वरक में अनेकों प्रकार के चुम्बक प्रयुक्त होते हैं। इन चुम्बकों, रेडियो आवृत्ति कैविटी आदि की डिजाइन करने और इन्हें समझने के लिए भी अनेकों सॉफ्ट्वेयर प्रयुक्त होते हैं। इनके लिए प्रयुक्त कुछ कोद-

• ACE3P
• COMSOL Multiphysics
• CST
• OPERA
• VSim

लैटिस की फाइल का स्वरूप तथा आंकडों का आदान-प्रदान

Given the variety of modelling tasks, there is not one common data format that has developed. For describing the layout of an accelerator and the corresponding elements, one uses a so-called "lattice file". There have been numerous attempts at unifying the lattice file formats used in different codes. One unification attempt is the Accelerator Markup Language, and the Universal Accelerator Parser. Another attempt at a unified approach to accelerator codes is the UAL or Universal Accelerator Library.

The file formats used in MAD may be the most common, with translation routines available to convert to an input form needed for a different code. Associated with the Elegant code is a data format called SDDS, with an associated suite of tools. If one uses a Matlab-based code, such as Accelerator Toolbox, one has available all the tools within Matlab.

त्वरकों के उपयोग में काम आने वाले सॉफ्टवेयर

कन त्वरकों का अनेक कार्यों के लिए उपयोग किया जाता है। उदाहरण के लिए, कण भौतिकी और सिन्क्रोट्रॉन विकिरण का उत्पादन। When performing a modeling task for any accelerator operation, the results of charged particle beam dynamics simulations must feed into the associated application. Thus, for a full simulation, one must include the codes in associated applications. For particle physics, the simulation may be continued in a detector with a code such as Geant4.

For a synchrotron radiation facility, for example, the electron beam produces an x-ray beam that then travels down a beamline before reaching the experiment. Thus, the electron beam modeling software must interface with the x-ray optics modelling software such as SRW, Shadow, McXTrace, or Spectra. Bmad can model both X-rays and charged particle beams. The x-rays are used in an experiment which may be modeled and analyzed with various software, such as the DAWN science platform. OCELOT also includes both synchrotron radiation calculation and x-ray propagation models.

कुछ प्रमुख सॉफ्टवेयरों की अधिक विस्तृत जानकारी

कोड का नाम	वर्णन	प्रोग्रामन भाषा	युगपत कलनविधि	स्पेस-चार्ज गणित्र	उपयोग	उपलब्ध दस्तावेज	विकासकर्ता
MADX	Single/Multi-particle tracking			Frozen Space Charge	Ring	Manual, tutorial
MICROMAP LIBRARY	Single/Multi-particle tracking	Fortran	yes
PATRICK	Particle In Cell	C++	yes	2D, 2.5D	Ring	No
pyORBIT	Particle In Cell	Python/C++	yes	1D, 2D, 2.5D	Linac and Ring	Wiki and examples
MIRKO							FAIR & GSI

बाहरी कड़ियाँ

• Sirepo - an interactive development environment (IDE) for designing particle accelerators, from RadiaSoft.
• Sirepo at Github
• CARE-HHH Codes Repository
• List of codes from UCLA Particle Beam Physics Laboratory