用于模拟磁四极体中带电粒子运动的高阶时间积分器
计算工程、金融与科学
2019-06-26 v1 数值分析
加速器物理
摘要
磁四极体是大型强子对撞机等粒子加速器的关键部件。为了在数值上研究穿过四极体的粒子束的稳定性，必须模拟加速器中大量的粒子回旋，这导致需要在长时间区间内数值保持运动不变量，并产生 substantial 的计算代价，该代价主要源于对磁矢势的重复求值。在本文中，为降低这一代价，我们首先考虑一种特定的规范变换，可显著减少矢势求值次数。然后，我们分析了数值解对插值过程的敏感性，该插值用于从高阶时间积分方法所需位置处的网格化预计算值计算磁矢势数据。最后，我们比较了几种高阶积分技术，以评估它们在长期模拟中的精度与效率。我们考虑了显式高阶 Lie 方法、隐式高阶辛积分器以及常规显式 Runge Kutta 方法。在辛方法中，高阶 Lie 积分器在代价/精度比方面给出最优结果，但非辛 Runge Kutta 方法即使在极长期模拟中也表现极为出色。此外，场重建与插值技术的精度被证明是粒子跟踪过程精度的限制因素。
引用
@article{arxiv.1802.08157,
title = {High order time integrators for the simulation of charged particle motion in magnetic quadrupoles},
author = {Abele Simona and Luca Bonaventura and Thomas Pugnat and Barbara Dalena},
journal= {arXiv preprint arXiv:1802.08157},
year = {2019}
}
备注
39 pages, 18 figures