Применение информационных технологий в ускорительной физике реферат по «Основам информационных технологий» Магистранта кафедры теоретической физики и астрофизики


Скачать 240.33 Kb.
НазваниеПрименение информационных технологий в ускорительной физике реферат по «Основам информационных технологий» Магистранта кафедры теоретической физики и астрофизики
страница1/3
Дата публикации20.02.2014
Размер240.33 Kb.
ТипАвтореферат
referatdb.ru > Физика > Автореферат
  1   2   3


БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

УДК 539.1.08

Сытов Алексей Игоревич

Применение информационных технологий в ускорительной физике

Реферат по
«Основам информационных технологий»

Магистранта кафедры теоретической

физики и астрофизики

Специальность: 1-31 80 05 – Физика

Рецензент:
_____________________________

Минск, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА 3 ПРИМЕНЕНИЕ ИЗОГНУТЫХ КРИСТАЛЛОВ ДЛЯ ВЫВЕДЕНИЯ ПРОТОННОГО ПУЧКА ИЗ НАКОПИТЕЛЬНЫХ КОЛЕЦ В НАЦИОНАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ ИМЕНИ ФЕРМИ 13

^ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 23

ПРИЛОЖЕНИЕ 26

ВВЕДЕНИЕ

Информационные технологии широко используются в ускорительной физике. Моделирование динамики пучка в ускорителе является необходимой стадией при его разработке, эксплуатации и модернизации. Современные ускорительные элементы требуют точности инсталляции до 1 микрона. Малейшее отклонение может привести к очень быстрой раскачке пучка, в результате которой возникает угроза выхода установки из строя, что произошло в 2008 г. на Большом адронном коллайдере. Существует также опасность радиационных повреждений сверхпроводящих магнитов и детекторов, что также угрожает стабильной работе ускорителя. Теоретически предсказать подобные эффекты возможно только при помощи моделирования. Для расчета траекторий частиц в ускорителе используются программы MAD-X, SixTrack, STRUCT и др.

Без информационных технологий невозможны современные ускорительные эксперименты. Сигналы с детекторов и в экспериментах на фиксированной мишени, и в коллайдерных экспериментах поступают в виде огромного массива данных. В экспериментах на Большом адронном коллайдере объем данных превышает 1 Пбайт в секунду. Триггерная система позволяет в режиме реального времени отбирать самые интересные события для того, чтобы сохранить их для подробного анализа. В результате набирается более 1 Пбайт данных ежегодно. Эти результаты позволяют при помощи специальных программ, например Geant4, реконструировать траектории продуктов реакции столкновения частиц. Именно таким способом летом прошлого года был обнаружен бозон Хиггса.

Обработка экспериментальных данных требует огромного количества вычислительных ресурсов. В ЦЕРН для этого используется ГРИД LCG (LHC computing Grid) [1], являющейся сетью нулевого уровня. Затем данные со скоростью 10 Гбит/с передаются для дальнейшей обработки в 11 научных центров в Европе, Азии и Северной Америке. К ним подключены более 150 сетей 2-го уровня. Таким образом, в ЦЕРН технология ГРИД получила очень большое развитие.

Именно в стенах международных научных ускорительных центров развивались современные информационные технологии. В частности, в 1989 г. именно в ЦЕРН родилась концепция Всемирной паутины [2]. Её предложил знаменитый британский учёный Тим Бернерс-Ли, он же в течение двух лет разработал протокол HTTP, язык HTML и идентификаторы URI. В 1991 году Бернерс-Ли создал первые в мире веб-сервер, сайт и браузер. 30 апреля 1993, ЦЕРН объявил, что Всемирная паутина будет свободной для всех пользователей. Именно благодаря разработке Интернет в научной организации он является общедоступным и бесплатным во всем мире.

Стоит подчеркнуть, что ГРИД технология, Всемирная паутина получили свое развитие в мировых научных центрах благодаря необходимости их использования для обработки данных экспериментов на ускорителях. Только после этого они нашли свое применение в других областях науки и повседневной жизни.

Темой данной работы является применение изогнутых кристаллов для отклонения заряженных пучков на ускорителях. Изогнутые кристаллы обладают широкими возможностями для ускорительной физики. Очень сильные межплоскостные электромагнитные поля, приложенные с точностью до одного ангстрема, позволяют отклонять частицы с высокой эффективностью. Главное преимущество кристаллов – компактные размеры, низкая себестоимость и легкость в их установке и эксплуатации. Кристаллы позволяют управлять пучками различных энергий (от нескольких МэВ до десятков ТэВ) различных типов заряженных частиц (как протонов, так и мюонов, электронов, позитронов и др.).

Существует множество приложений этих идей в ускорительной физике. Одно из приложений – выведение пучка заряженных частиц из ускорителя с целью его сброса и для инжекции в другой ускоритель. Преимущество кристалла по сравнению с отклоняющими магнитами в данном случае – компактность и низкая себестоимость. При этом может быть достигнута высокая эффективность вывода пучка – порядка 95 %.

Еще одно важное приложение – система коллимации с использованием изогнутых кристаллов. Эта система призвана защитить ускоритель от гало частиц, т.е. частиц достигших опасно высокой амплитуды бетатронных колебаний и способных вызвать перегрев сверхпроводящих магнитов, что может вывести ускоритель из строя. Идея данной системы заключается в отклонении таких частиц первичным коллиматором – рассеивателем и дельнейшим их поглощением вторичным коллиматором. Замена аморфного первичного коллиматора на изогнутый кристалл позволит значительно повысить эффективность отклонения частиц, что приведет к снижению радиационной нагрузки на сверхпроводящие магниты и уменьшению шумов в детекторах. В частности на коллайдере Тэватроне система коллимации с применением изогнутого кристалла позволила снизить шум в детекторах в 2 раза, что способствовало получению более четкого сигнала. Подобную систему предполагается применить и на Большом адронном коллайдере. Особое значение это имеет после модернизации коллайдера в 2017г., в результате чего светимость пучка возрастет в несколько раз.

Дополнительным применением кристаллов может стать их использование в системе коллимации, для управления пучками заряженных частиц в установках пучковой терапии, для генерации рентгеновского и гамма-излучения (излучение при каналировании), генерации каналирующих электронов и позитронов, рождаемых гамма-излучением, и, наконец, ускорения электромагнитных ливней, что позволит значительно компактифицировать электромагнитные детекторы. Стоит отметить, что различные приложения кристаллов активно изучались и продолжают изучаться в Беларуси [3-5].

Динамика заряженных частиц в кристалле сильно напоминает их движение в ускорителе. При этом роль фокусирующих и дефокусирующих магнитов в кристалле играют электростатические поля кристаллических осей или плоскостей. Существенно осложняют картину возможные рассеяния заряженных частиц на ядрах и электронах, в результате чего они способны сильно изменить свои траектории. Именно поэтому для теоретического исследования процессов отклонения частиц изогнутым кристаллом необходимо прибегнуть к компьютерному моделированию.

При моделировании траектории частицы существует проблема скорости вычислений. Численное решение уравнения движения и учет возможных рассеяний частицы на каждом шаге интегрирования требует большого количества математических операций. Кроме этого, моделирование в ускорительной физике, как правило, проводится методом Монте-Карло, который для достижения приемлемой точности требует расчета не менее сотен тысяч различных траекторий. Именно поэтому подобное моделирование проводиться с применением параллельных вычислений на многопроцессорной машине.

Данная работа является продолжением многолетних исследований по использованию изогнутых кристаллов на современных ускорителях. В ней рассматривается применение изогнутого кристалла для вывода протонного пучка из накопительного кольца (Recycler Ring) и Дебанчера (Debuncher Ring) в Национальной лаборатории имени Ферми (ФНАЛ) в США [6].

^ ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Хронология исследования каналирования в кристаллах

В основе использования эффектов взаимодействия пучка заряженных частиц с кристаллом лежит упорядоченная структура атомов в кристаллической решетке. В частности при падении частицы под малым углом к кристаллическим осям или плоскостям глубина ее проникновения возрастает во много раз по сравнению большим значением угла. В этом заключается основная идея эффекта каналирования. Каналирование – это эффект проникновения заряженных частиц через монокристалл параллельно его кристаллическим осям или плоскостям, двигаясь в усредненном поле последних.

Впервые на возможность существования этого эффекта указывал Штарк [7] в 1912 г. Однако, первое экспериментальное подтверждение этот эффект получил лишь в 1960 г. в работах Девиса и др. [8], которые показали, что в противоположность случаю аморфных тел в кристаллических веществах распределение числа ионов по глубине проникновения не гауссово, а имеет длинный хвост на больших глубинах. Для проверки этих экспериментов Робинсон и Оен [9] в 1963 г. выполнили численное моделирование проникновения ионов в кристалл. Они показали, что небольшая часть ионов, падающих на кристалл под малым углом к атомной плоскости или цепочке локализуются внутри канала. Таким образом, теоретически явление каналирования было впервые подтверждено при помощи моделирования. Два года спустя Линдхард [10] разработал теорию каналирования, в которой он определил критический угол каналирования.

Новый этап исследований по этой теории начался в 1976г., после того, как Цыганов предложил использовать каналирование в изогнутых кристаллах для отклонения пучков заряженных частиц [11]. Еще одним важным эффектом отклонения частиц является объемное отражение – отражения заряженных частиц от изогнутых кристаллических плоскостей. Оба эффекта схематически изображены на рисунке 1. Эта идея открыла огромные возможности для применения кристаллов, в качестве ускорительных элементов, способных во многих случаях заменить более громоздкие и дорогостоящие электрические дефлекторы и отклоняющие магниты.

С тех пор эксперименты по отклонению пучков при помощи изогнутых кристаллов проводились во многих крупнейших мировых научных центрах: ЦЕРН (Женева, Швейцария), Национальной лаборатории имени Ферми (ФНАЛ) (Батавия, США), Брукхейвенской национальной лаборатории (Брукхейвен, США), ИФВЭ (Протвино, Россия), ПИЯФ (Гатчина, Россия), ОИЯИ (Дубна, Россия), Национальном институте ядерной физики (Фраскати, Италия), Институт ядерной физики (Майнц, Германия) и др.



Рисунок 1 – Плоскостное каналирование и объемное отражение

Помимо указанных центров теоретические исследования и моделирование взаимодействия частиц с кристаллами проводятся более 40 лет в ИЯФ (Новосибирск, Россия), Курчатовском институте (Москва, Россия), ХФТИ (Харьков, Украина).

Теоретические исследования проводятся в Беларуси, в частности, группой НИИ ЯП БГУ, основанной профессором В.Г. Барышевским. В её последней работе [12], в частности, было получено близкое к полному согласие проведенного моделирования с результатами эксперимента [13] по излучению каналирующих электронов. Кроме этого В.В. Тихомировым был предложен эффект многократного объемного отражения от нескольких наклонных кристаллических плоскостей в одном кристалле [14-15], что позволило значительно увеличить угол отклонения частиц. Этот эффект был экспериментально подтвержден в различных экспериментах на ускорителях У70 в Протвино [16] и SPS в ЦЕРН [17-18]. В работе [19] В.В. Тихомировым и А.И. Сытовым были предложены некоторые модификации этого эффекта, потенциально полезные для применения на Большом адронном коллайдере.

Одно из основных применений изогнутого кристалла – система коллимации. Эксперименты по коллимации с использованием изогнутых кристаллов проводились на ускорителе SPS в ЦЕРН [20-21], в которых эффективность коллимации превысила 95 %, хотя и оказалась меньше ожидаемой. Основной причиной снижения эффективности, как было показано в работах В.В. Тихомирова и А.И. Сытова [22-23], является угол между кристаллическими плоскостями и поверхностью кристалла, снижающий вероятность захвата в режим каналирования. Эксперименты по кристаллической коллимации проводились и на Тэватроне [24], главным результатом которых стало снижение шумов в детекторе в 2 раза. Аналогичные эксперименты планируется проводиться на Большом адронном коллайдере после его запуска в 2015г. [25].

Еще одно приложение изогнутого кристалла – медленное выведение пучка из ускорителя. Подобные эксперименты активно проводились в ИФВЭ в Протвино [26]. Аналогичные эксперименты планируются в ФНАЛ в США [6], моделированию которых посвящена глава 3.

1.2 Основные принципы каналирования

Основным принципом каналирования является сохранение поперечной энергии [27]:



где pv – энергия частиц,

θ – угол между направлением движения частицы и кристаллической плоскостью,

U(x) – межплоскостной потенциал,

x – поперечная координата.

Дифференцирование уравнения  по продольной координате z и учитывая, что , получаем уравнение траектории частицы в режиме каналирования:



Для случая изогнутого кристалла это уравнение может быть модифицировано добавлением центростремительной силы:



где R – радиус кривизны кристалла.

Второй принцип – это условие, при котором частица находится в режиме каналирования [27]:



Из него следует выражение для критического угла, называемого углом Линдхарда, при котором частица еще может попасть в состояние каналирования:



U(x) представляет собой потенциал атомов, усредненный по кристаллическим плоскостям. Усреднение проводится с помощью соотношения:



где N – концентрация атомов в кристалле,

dpl – межплоскостное расстояние.

Плоскостной потенциал Томаса-Ферми в аппроксимации Мольер с учетом усреднения по тепловым колебаниям атомов [27] имеет вид:



где Z1 и Z2 – атомные номера частицы и атома соответственно,

e – заряд электрона,

aTF – радиус экранирования Томаса-Ферми,

αi = (0,1; 0,55; 0,35),

βi = (0,1; 0,55; 0,35),

,

– функция ошибок,

uT – амплитуда тепловых колебаний атомов.

Межплоскостной потенциал можно вычислить как сумму потенциалов нескольких плоскостей:



где n – число различных межплоскостных расстояний.

Например, для плоскостей (110) все расстояния одинаковы, т.е. n = 1, а для (111) есть два различных расстояния, следовательно, n = 2. Межплоскостной потенциал для кристалла кремния для плоскостей (111) изображен на рисунке 2. Аналогично можно найти межплоскостное электростатическое поле, функции плотности ядер и электронов [27].



Рисунок 2 – Межплоскостной потенциал в кристалле кремния для плоскостей (111)

^ ГЛАВА 2 МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

2.1 Моделирование динамики пучка в изогнутом кристалле

Полученные функции в предыдущей главе функции не очень удобны для быстрых вычислений из-за очень большого необходимого числа математических операций на каждом шаге. Поэтому все эти функции были интерполированы кубическими сплайнами вида [28]:

. 

Все узлы xi и коэффициенты сплайнов были сохранены в отдельных файлах и для (110), и для (111) плоскостей.

Есть несколько преимуществ такой интерполяции. Первое из них заключается в очень быстром счете, поскольку число математических операций для расчета функции, аппроксимированной сплайном, не превышает 10. Второе – в том, что мы можем контролировать точность аппроксимации еще до начала вычислений. Ошибка интерполяции сплайном для 1000 узлов в большинстве случаев не превышает 10-го знака. Третье преимущество – в том, что сам алгоритм остается универсальным в независимости от материала кристалла, направления плоскостей и т.д. Все определяется входными файлами, содержащими некоторые константы, различные для разных кристаллов, а также узлы и коэффициенты всех интерполированных функций.

В процессе моделирования находится численное решение уравнения  на каждом шаге методом Рунге-Кутта 4-го порядка. Выбор шага следует из его оценки в поперечном направлении. Он должен быть не больше, чем dpl/Nsteps, где Nsteps – число поперечных шагов, необходимых для того, чтобы частица пролетела от одного края канала до другого в режиме каналирования с максимально возможной амплитудой. Отсюда следует величина шага в продольном направлении, определяемая формулой:



Для простоты в нашем алгоритме dz не изменялся при движении частицы в режиме каналирования. Только в случае выбывания частицы из последнего он уменьшался обратно пропорционально углу частицы по отношению к кристаллической плоскости. Для достижения высокой точности Nsteps принимался равным 500.

Чтобы включить в моделирование кулоновское рассеяние частиц на ядрах и электронах нужно разыгрывать по Монте-Карло угол рассеяния на каждом шаге и добавлять его к уже полученному углу при решении уравнения .

Блок-схема разработанного алгоритма представлена на рисунке 3.



Рисунок 3 – Алгоритм моделирования движения частиц в кристалле

Важно отметить, что движение частиц в кристалле не в режиме каналирования рассматривается аналогично, как и движение каналирующей частицы с точностью до величины. Полученный алгоритм реализован в виде программы CRYSTAL, написанной на языке программирования FORTRAN.

2.2 Моделирование выведения пучка из ускорителя при помощи изогнутого кристалла на суперкомпьютере СКИФ К-1000/2

Этот эксперимент моделировался программы CRYSTAL и совмещенной с программой STRUCT [29] для моделирования динамики пучка в ускорителе, разработанной в Национальной лаборатории имени Ферми.

Для получения более точных результатов моделирования была проведена модернизация этих программ для организации параллельных многопроцессорных вычислений. В то же время основной целью было внесение минимальных изменений в оба алгоритма. Для этого было написана новая программа, вызывающая STRUCT отдельно для каждого параллельного процесса. Количество частиц раздается приблизительно поровну каждому процессу. При этом, эти процессы выполняются совершенно независимо без обмена данными между собой и конфликтов обращения к памяти. Последнее обеспечивается дублированием всех файлов для каждого процесса.

Кроме того, предусмотрена возможность варьирования параметров. Так, программа способна провести моделирование для целого заданного диапазона начальных параметров.

Полученный код выполнялся на суперкомпьютере Белорусского государственного университета СКИФ К-1000/2.
  1   2   3

Похожие рефераты:

Применение информационных технологий в моделировании роботов Выпускная...
В каче­стве таких переменных обычно используют углы и перемещения qi i=. в кинематических парах. На выбор qi влияет множество факторов,...
«Основы информационных технологий»
«Основы информационных технологий» для подготовки к сдаче кандидатского зачета составлена на основе типовой программы-минимума кандидатского...
Реферата по дисциплине «Основы информационных технологий»
Требования к оформлению реферата по дисциплине «Основы информационных технологий» для лиц, зачисленных на обучение на I ступени послевузовского...
Пояснительная записка Рабочая учебная программа «Основы информационных технологий»
...
Программа по «Основам информационных технологий»
Вопросы, изучаемые в рамках предмета «Основы информационных технологий» базируется на школьном курсе информатики и соответствующих...
Рабочая программа по дисциплине «Основы информационных технологий»
Рабочая программа составлена на основе типовой программы-минимум кандидатского зачета по основам информационных технологий, утвержденная...
Программа обучения по дисциплине (Syllabus) по дисциплине «Новые...
Факультет физики, математики и информационных технологий Кафедра информатики и информационных систем
Программа обучения по дисциплине (Syllabus) по дисциплине «Новые...
Факультет физики, математики и информационных технологий Кафедра информатики и информационных систем
Использование Интернета в рекламной деятельности Выпускная работа...
Беларуси. Однако и в Беларуси в скором времени Интернет станет основным рекламным инструментом, так как реклама в Интернете имеет...
Методика обучения математике учащихся средней школы с помощью информационных...
Всех сфер деятельности человека создаёт предпосылки для широкого внедрения в педагогическую практику информационных технологий. Учитывая...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
referatdb.ru
referatdb.ru
Рефераты ДатаБаза