加速器物理コード

荷電粒子加速器は、荷電素粒子を非常に高いエネルギーまで加速する複雑な装置です。加速器物理学は、装置の設計と運用、および結果として生じる荷電粒子のダイナミクスの理解に必要なすべての側面を網羅する物理学の分野です。各分野には、関連するソフトウェアパッケージがあります。ロスアラモス加速器コードグループの1990年版の概要^{[ 1 ]}には、200以上のコードの概要が記載されています。多くのコードは廃止されていますが、一部のコードは現在でも使用されています。既存および過去の加速器シミュレーションコードの別のインデックスは、 CERN CARE/HHHウェブサイトにあります。 ^{[ 2 ]}

多くの用途では、関連する電場と磁場を通して単一の粒子を追跡するだけで十分です。元の作者や所属機関によってメンテナンスされなくなった古いコードには、BETA、^{[ 3 ]} AGS、ALIGN、COMFORT、DESIGN、DIMAD、HARMON、LEGO、LIAR、MAGIC、MARYLIE、PATRICIA、PETROS、RACETRACK、SYNCH、^{[ 4 ]} TRANSPORT、TURTLE、およびUALなどがあります。一部のレガシーコードは、それらのコードを引き続き使用する学術、産業、および医療加速器施設向けに、商業組織によってメンテナンスされています。TRACE 3-DとTURTLEは、商業的にメンテナンスされている歴史的なコードの一部です。^{[ 5 ]}

主な管理コードは以下のとおりです。

荷電粒子ビームの自己相互作用（空間電荷など）は、バンチの伸長やビーム内散乱など、ビームの成長を引き起こす可能性があります。さらに、空間電荷効果は不安定性やそれに伴うビーム損失を引き起こす可能性があります。通常、比較的低いエネルギー（相対論的ガンマ因子が10未満程度のエネルギー）では、粒子インセルアルゴリズムを使用して、トラッキング中にポアソン方程式が一定間隔で解かれます。空間電荷効果はエネルギーが高くなるにつれて小さくなるため、高エネルギーでは、低エネルギーで使用されるアルゴリズムよりも計算速度がはるかに速い、より単純なアルゴリズムを使用して空間電荷効果をモデル化できます。低エネルギー空間電荷効果を扱うコードには、次のものがあります。

• アストラ^{[ 8 ]}
• Bmad
• CST Studio Suite ^{[ 30 ]}
• GPT ^{[ 31 ]}
• インパクト^{[ 32 ]}
• ImpactX ^{[ 33 ]}
• mbtrack ^{[ 34 ]}
• ORBIT、^{[ 35 ]} PyORBIT ^{[ 36 ]}
• オパール^{[ 37 ]}
• PyHEADTAIL ^{[ 38 ]}
• シナジア^{[ 39 ]}
• TraceWin ^{[ 40 ]}
• トランフト^{[ 41 ]}
• VSim ^{[ 42 ]}
• ワープ^{[ 43 ]}
• Xsuite ^{[ 27 ]}

高エネルギー領域では、空間電荷効果にはトゥシェック効果やコヒーレントシンクロトロン放射（CSR）などが含まれます。高エネルギー空間電荷を扱うコードには以下のようなものがあります。

• Bmad
• エレガント
• インパクトX
• メアリーリー
• 悲しい

2つのビームが衝突すると、一方のビームの電磁場がもう一方のビームに強い影響を与えます。これをビーム間効果と呼びます。いわゆる「弱ビーム-強ビーム」シミュレーションでは、一方のビーム（もう一方のビームに影響を与えるため「強ビーム」と呼ばれます）を固定分布（通常はガウス分布）としてモデル化し、それがもう一方の「弱ビーム」の粒子と相互作用します。これにより、シミュレーションが大幅に簡略化されます。完全な「強ビーム-強ビーム」シミュレーションはより複雑で、より多くのシミュレーション時間を要します。強ビーム-強ビームコードには、

• モルモット^{[ 44 ]}
• BeamBeam3D ^{[ 45 ]}
• Xsuite ^{[ 27 ]}
• WarpX ^{[ 46 ]}

重要な集団効果のクラスは、ビームの「インピーダンス」に対する応答という観点から要約できます。したがって、機械のこのインピーダンスを計算することは重要な作業です。この計算のためのコードには、

• ABCI ^{[ 47 ]}
• ACE3P ^{[ 48 ]}
• CST Studio Suite ^{[ 49 ]}
• GdfidL ^{[ 50 ]}
• TBCI ^{[ 51 ]}
• VSim ^{[ 42 ]}

荷電粒子ビームを制御するには、適切な電場と磁場を生成する必要があります。これらの場を生成する磁石、RF空洞、その他の要素の設計と理解を支援するソフトウェアパッケージがあります。コードには以下が含まれます。

• ACE3P ^{[ 48 ]}
• COMSOL Multiphysics ^{[ 52 ]}
• CST Studio Suite ^{[ 53 ]}
• オペラ^{[ 54 ]}
• VSim ^{[ 42 ]}

モデリングタスクの多様性を考慮すると、共通のデータ形式は開発されていません。アクセラレータのレイアウトと対応する要素を記述するために、いわゆる「ラティスファイル」が使用されます。さまざまなコードで使用されるラティスファイル形式を統一しようとする試みが数多く行われてきました。統一の試みの1つは、アクセラレータマークアップ言語とユニバーサルアクセラレータパーサーです。^{[ 55 ]} アクセラレータコードへの統一的なアプローチのもう1つの試みは、UALまたはユニバーサルアクセラレータライブラリです。^{[ 56 ]} 2023年現在、これらの形式はどちらもメンテナンスされていません。

MADで使用されるファイル形式は最も一般的なものの一つであり、別のコードに必要な入力形式に変換するための変換ルーチンも用意されています。ElegantコードにはSDDSと呼ばれるデータ形式と、それに関連するツール群が付属しています。Accelerator ToolboxなどのMatlabベースのコードを使用する場合は、Matlab内のすべてのツールを利用できます。

粒子の位置と電磁場を交換するために、OpenPMD ^{[ 57 ]}標準では、 HDF5 のようなファイル形式で実装できる形式が定義されています。

粒子加速器には多くの用途があります。例えば、重要な用途としては、素粒子物理学とシンクロトロン放射光の生成が挙げられます。加速器の運転に関するモデリングを行う場合、荷電粒子ビームダイナミクスシミュレーションの結果を関連するアプリケーションに取り込む必要があります。したがって、完全なシミュレーションを行うには、関連するアプリケーションにコードを組み込む必要があります。素粒子物理学の場合、 Geant4などのコードを用いて検出器でシミュレーションを継続することができます。

例えば、シンクロトロン放射施設では、電子ビームがX線ビームを生成し、それがビームラインを通って実験場に到達します。そのため、電子ビームモデリングソフトウェアは、 SRW ^{[ 58 ]} Shadow ^{[ 59 ]} McXTrace ^{[ 60} ]や Spectra ^{[ 61 ]}などのX線光学モデリングソフトウェアとインターフェースする必要があります。Bmad ^{[ 10 ]は、X線と荷電粒子ビームの両方をモデル化できます。X線は、DAWN科学プラットフォーム[ 62 ]}などのさまざまなソフトウェアでモデル化および解析できる実験で使用されます。OCELOT ^{[ 63 ]}には、シンクロトロン放射計算とX線伝播モデルの両方が含まれています^。

産業用および医療用加速器は、重要な応用分野の一つです。2013年の調査では、世界中に約27,000台の産業用加速器と14,000台の医療用加速器があると推定されており^{[ 64 ]}、これらの数はそれ以降も増加し続けています^{[ 65 ]} 。これらの施設で使用されるコードは大きく異なり、多くの場合、従来のコードと特定の用途向けに開発されたカスタムコードが混在しています。イオンビームアプリケーションズで開発された Advanced Orbit Code (AOC) ^{[ 66 ]}はその一例です。

• UCLA粒子ビーム物理研究所のコード一覧（ 2018年7月17日にWayback Machineにアーカイブ済み）
• 加速器コードの比較