Simulation Study of Laser Plasma Accelerator Via Vorpal
本文利用PIC程序Vorpal对激光等离子体加速器分别在线性、准线性和非线性三种工作状态下进行了广泛的数值模拟。利用Vorpal模拟方法设计了能量约为100 MeV的激光等离子体加速器（LPA）。最后，我们讨论了所设计的LPA在紧凑型光源领域的应用。
2015-01-03 physics.acc-ph
Differentiable self-consistent space-charge simulation for accelerator design
强流或高亮度加速器中的非线性空间电荷效应会对通过加速器的束流特性产生重要影响。这些影响包括在加速器的设计，通过自洽多粒子跟踪模拟。为了研究最终束流特性对加速器设计参数的敏感性，必须多次进行耗时的空间电荷模拟。在本文中，我们提出了一个可微的自洽空间电荷模拟模型，使研究的束流灵敏度，通过只有一个模拟。这种模型也可以与基于梯度的数值优化器一起用于加速器设计优化，包括自洽空间电荷效应。
2022-07-16 physics.acc-ph
Start-to-end simulation with rare isotope beam for post accelerator of the RAON accelerator
稀有同位素科学计划（RISP）的RAON加速器是为了产生和加速各种稳定的重离子束和稀有同位素束而研制的，具有广泛的科学应用前景。在RAON加速器中，由在线同位素分离（ISOL）系统产生的稀有同位素束流将通过后加速器，即从后低能束流传输（LEBT）系统和后射频四极（QFD）系统传输到超导直线加速器（SCL 3）。加速后的束流将在低能实验大厅中使用，或由超导直线加速器（SCL 2）再次加速，以便在高能实验大厅中使用。在本文中，我们将描述的开始到结束的模拟结果与罕见的同位素束流产生的ISOL系统在后加速器的RAON加速器。此外，还对超导直线加速器SCL 3的误差进行了分析和修正。
2016-06-08 physics.acc-ph
Magnetodynamic Finite-Element Simulation of Accelerator Magnets
本课程讲稿描述如何建立加速器磁铁的磁动力场模拟，以及其背后的内容。麦克斯韦方程组的相关公式推导。在空间上用有限元法离散，在时间上用标准的时间积分法离散。介绍了加速器-磁体模型的建立步骤。给出了GSI SIS-100磁体的示例性仿真作为说明。最后，一些扩展的标准FE方法，专用于加速器磁铁，进行了讨论。
2020-06-18 physics.acc-ph
Design and Simulation of IOTA - a Novel Concept of Integrable Optics Test Accelerator
由于改进的朗道阻尼，使用具有大的电子感应加速器调谐扩展的非线性晶格可以增加不稳定性和空间电荷阈值。不幸的是，大多数非线性加速器晶格是不可积的，产生混沌运动和稳定和不稳定共振的复杂网络。最近在寻找可积的非线性加速器晶格的进展导致了一项建议，即在费米实验室建造一个具有强非线性聚焦的测试加速器，以避免共振和混沌粒子运动。本报告将概述费米实验室正在进行的可积光学测试加速器的主要挑战、理论设计解决方案和建设现状。
2013-01-29 physics.acc-ph
Simulations in the field of power converters for particle accelerators
建造和运行大功率电力系统的复杂性和成本使得仿真的使用不可避免。今天可用的模拟提供了对系统如何真正运行的深刻理解。本文有助于读者深入了解粒子加速器功率变换器领域的仿真。从模拟的定义和基本原理出发，介绍了模拟和数值模拟两种模拟类型及其主要工具。还考虑了每种模拟类型的一些实际应用。最后的结论总结了在选择模拟工具或执行模拟之前要记住的主要重要事项。
2016-04-15 physics.acc-ph
Simulation of deflecting structures for dielectric laser driven accelerators
在激光照射介质加速器（DLA）中，由于材料在光频下的高损伤阈值，可以实现高加速梯度。这是发展更紧凑的粒子加速器技术的必要条件。由戈登和贝蒂摩尔基金会资助的CHip国际项目的加速器正在研究这种设备。需要操纵光束的手段，即聚焦和偏转，以使这些装置正常工作。这些方法应该依赖于与加速结构相同的制造和动力技术。在这项研究中，不同的概念，介质激光驱动偏转结构的研究通过粒子在细胞（PIC）模拟和比较后。进行比较相对于光束操纵的适用性。另一个有趣的应用将被调查作为一个诊断设备的超短电子束从传统的加速器功能像一个射频横向偏转腔（TDS）。
2018-02-06 physics.acc-ph
Applications of Differentiable Physics Simulations in Particle Accelerator Modeling
当前用于解释粒子束实验测量的物理模型需要简化假设以确保分析的易处理性，或者需要黑盒优化方法来执行基于模型的推断。在测量具有有限可用性的系统中，这降低了从实验测量获得的信息的数量和质量。然而，可微物理建模与机器学习技术相结合，可以克服这些分析限制，实现物理加速器的准确，详细的模型创建。在这里，我们研究两个应用程序的微分建模，第一个表征束响应加速器元件表现出滞后行为，第二个表征束分布在高维相空间。
2022-11-16 physics.acc-ph
Simulations of Future Particle Accelerators: Issues and Mitigations
对粒子加速器性能的要求越来越高，这就要求对粒子加速器进行更全面的建模。计算机模拟是粒子加速器成功的关键。粒子加速器的许多方面在某些时候依赖于计算机建模，有时需要复杂的模拟工具和大规模并行超级计算。例子包括在极端强度和密度（接近量子简并极限）下的光束建模，以及超精细控制（下至单个粒子的水平）。在未来，自适应调谐模型也可能依赖于提供超出现有诊断的分辨率的光束测量。许多时间和精力已经投入到创建加速器软件工具中，其中一些非常成功。然而，也有缺点，如现有的软件一般不能很容易地修改，以满足不断变化的仿真需求。在本文中，可能的缓解策略所面临的加速器社区，因为它努力产生更好，更全面的建模工具的问题进行了讨论。这包括代码开发人员之间缺乏协调，缺乏使代码可移植和/或可重用的标准，缺乏文档等。
2021-08-25 physics.acc-ph
Simulation and Analysis of TE Wave Propagation as a Probe for Electron Clouds in Particle Accelerators
利用横向电波（TE）已被证明是一种强大的，非侵入性的方法来估计粒子加速器中形成的电子云的密度。从等离子体模拟程序VORPAL的结果一直是一个有用的指导实验研究，这种方法，已在各种加速器设施进行。本文提供的模拟和建模工作的结果，结合在CesrTA进行的实验工作。讨论开始于波的传输中由电子云引起的相移，随后是沿束管的反射的效果，谐振波方法的模拟和外部磁场的效果，即偶极子和摇摆器。还提供了一个推导的色散关系的波传播的任意几何形状的无场区域具有均匀的云密度。
2014-01-04 physics.acc-ph
The Software Anatomy of a Flexible Accelerator Simulation Engine
提出了一种模块化、可维护、可扩展的粒子束模拟体系结构。单粒子，多粒子，均方根包络模拟（在二维和三维）的设计考虑。包络模拟结果已通过Trace3D验证。与以物理为中心的控制系统抽象的混合为采用模型参考控制策略的应用程序的快速部署提供了一个方便的环境。
2002-07-24 physics.acc-ph physics.comp-ph
Beam Dynamics Simulation for the CTF3 Drive-Beam Accelerator
CERN的一个新的CLIC测试设施（CTF 3）将用于研究紧凑型线性对撞机（CLIC）的驱动光束产生。CTF3必须在几乎满载的结构中加速3.5 A的电子束。脉冲包含超过2000个聚束，每隔一个RF桶中有一个，并且具有超过一微秒的长度。基于FODO单元和三重态以及三重态，提出了驱动束加速器的晶格的不同选择。对横向稳定性进行了仿真，包括光束抖动、准直和基于光束的校正对横向稳定性的影响。
2000-08-18 physics.acc-ph
Synthesizing Particle-in-Cell Simulations Through Learning and GPU Computing for Hybrid Particle Accelerator Beamlines
本文提出并实现了一种完全GPU加速的数据驱动代理模拟工作流，利用高保真粒子云网格模拟数据和机器学习方法，为混合粒子加速器束线提供快速且无近似的端到端建模能力。
2024-04-30 physics.acc-ph physics.comp-ph
Simulation on Buildup of Electron Cloud in Proton Circular Accelerator
电子云与高能正束流的相互作用被认为是导致高功率质子环形加速器真空退化、集体束流不稳定甚至束流损失等各种不良效应的原因。预测电子云不稳定性的一个重要不确定性在于电子云产生和积累的详细过程。对电子云的建立过程进行数值模拟是进一步研究电子云引起的束流不稳定性的必要条件。中国空间中子源（CSNS）是正在建设中的最大的科学工程，其加速器组合体包括两个主要部分：H-直线加速器和快循环同步加速器（RCS）。RCS积累80 MeV质子束，并以25 Hz的重复频率将其加速到1.6GeV。在低能束流注入过程中，出现的电子云会引起真空管的严重不稳定和束流损失。开发了CSNS/RCS中电子云的建立、分布和密度的仿真程序。
2015-08-01 physics.acc-ph
SHarD: A beam dynamics simulationcode for dielectric laser acceleratorsbased on spatial harmonic field expansion
为了演示片上介质激光加速器（DLA）对电子的相对论性加速，提出了一种有质动力聚焦方案，该方案能够在扩展的相互作用长度上通过纳米尺度的孔径捕获和传输电子。我们提出了一个基于Matlab的数值代码（SHarD），利用空间谐波展开的领域内的介质结构来模拟的光束相位空间分布的演变，在这个计划。该代码可以用来优化关键参数的加速器性能，如最终的能量，横向光斑大小的演变和总电子数通过当前制造的结构加速。最后，仿真模型将被应用到通知的相位掩模轮廓被添加到一个脉冲前倾角驱动激光脉冲使用液晶掩模在实验装置正在组装在加州大学洛杉矶分校飞马座实验室。
2021-07-23 physics.acc-ph
Summary and report Working Group 6: theory and simulation, for the third edition of the European Advanced Accelerator Concept Conference
欧洲高级加速器研讨会第三版的理论和模拟工作组（第6工作组）的特点是具有很强的数值内涵。粒子在细胞代码已被证明是一个必要的工具，精细研究的基础物理激光和等离子体尾场加速过程。今年，该部分的特点是对数值切伦科夫效应的限制，软管不稳定性的缓解，开始到结束的模拟以及更普遍的新数值方案和诊断的兴趣。
2018-01-12 physics.acc-ph physics.plasm-ph
A flexible start-to-end simulation framework for particle accelerators based on a comprehensive lattice description
STFC Daresbury Laboratory（STFC达尔斯伯里实验室）；Cockcroft Institute（科克克罗夫特研究所）
本文提出一种全面的晶格描述格式，用于粒子加速器的模拟，提供翻译层以导出至标准模拟代码，并开发了生成、跟踪和分析束流的框架。
2026-04-21 physics.acc-ph
Finite-Element Simulation of an Accelerator Magnet: an Exercise
本说明描述了加速器磁体有限元（FE）模拟的扩展练习。学生使用FEMM免费软件构建和模拟磁体模型。他们有机会练习有限元理论，包括麦克斯韦方程组，磁准静态公式，加权残差方法，选择适当的有限元形函数和代数方程组，从而通过填写表格进行指导。他们被邀请来实现一个简单的FE求解器的最关键的部分。最后，使用自己的软件再次模拟磁体，并开发一些问题专用的后处理例程。该练习教育加速器物理和电气工程专业的学生构建和模拟准确和可管理的FE模型，标准FE求解器背后的算法以及为自己的目的扩展FE求解器的一些想法。开展这项工作所需的所有文件均可免费查阅。
2020-06-18 physics.acc-ph
Phase Space Reconstruction from Accelerator Beam Measurements Using Neural Networks and Differentiable Simulations
本文提出一种结合神经网络与可微粒子追踪的通用算法，无需专用诊断即可高效重建高维束流相空间分布，并在模拟与实验中验证了4D重建精度，为未来6D重建奠定基础。
2023-01-26 physics.acc-ph
Optimisation of the Accelerator Control by Reinforcement Learning: A Simulation-Based Approach
本研究提出基于强化学习的模拟框架，用于优化加速器控制，通过智能建议提升性能并减少调优时间。
2025-03-12 cs.LG physics.acc-ph
Validation of frequency and mode extraction calculations from time-domain simulations of accelerator cavities
最近开发的频率提取算法[G.R.沃纳和J.R. Cary，J.Comp.Phys.227，5200（2008）]，其使得能够将简单的FDTD算法变换成有效的本征模求解器，其被应用于利用嵌入边界和Richardson外推法建模的真实加速器腔。以前，频率提取方法被证明是能够区分M个退化模式，通过运行M个不同的模拟，并允许模式提取与最小的后处理工作，只需要解决一个小的特征值问题。在这项工作中，提出了一个加速器腔的现实计算，以建立现实的建模方案的方法的有效性，并说明计算验证过程的复杂性。该方法被发现是能够提取的频率与误差小于10^5的一部分。修正后的实验值与计算值相差约1/10，这主要是由于加工误差造成的。从加速器腔中提取频率和模式为工程师和物理学家提供了对潜在腔性能的理解，因为它取决于形状，而不会产生制造和测量成本。
2010-09-09 physics.acc-ph
Merlin++, a flexible and feature-rich accelerator physics and particle tracking library
Merlin++是一个C++带电粒子跟踪库，用于模拟和分析高能粒子加速器中的复杂束流动力学。粒子动力学的精确模拟和分析是设计新的粒子加速器和优化现有粒子加速器的重要组成部分。Merlin++是一个功能齐全的库，专注于长期跟踪研究。用户可以模拟质子或电子在单个粒子或切片宏观粒子束中的分布。跟踪代码包括直线和曲线坐标系，允许模拟线性或圆形加速器晶格设计，并使用快速和准确的显式辛积分器。已经实施了用于共同设计研究的物理过程，包括RF腔加速、同步辐射阻尼、在线物理孔径检查和准直、质子散射、尾流场模拟和自旋跟踪。Merlin++是使用C++面向对象的设计实践编写的，并已针对多核处理器的速度进行了优化。本文介绍了该程序的说明，包括其功能和使用指南。
2020-11-09 physics.acc-ph
Design and Numerical Simulation of a SARA-Based RF Accelerator Using the $\mathrm{TE}_{112}$ Mode
本研究设计并模拟了基于空间自谐振加速（SARA）机制、采用TE₁₁₂模式圆柱形谐振腔的微波驱动电子加速器，验证其用1kW源加速电子至近200keV并产生X射线的可行性，提供优化参数，强调其在紧凑型X射线源中的应用潜力。
2025-07-07 physics.acc-ph
Optimization and numerical simulation for the accelerator of the commercial H- cyclotron ion source
本文介绍了为CYCLONE 30商用回旋加速器研制的一种新的离子源，该离子源的性能比原离子源有了很大的提高。新设计的离子源具有非常大的透明度，而不会使束流光学劣化，该束流光学被设计为以30 keV递送H束。离子源的等离子体发生器是轴向尖桶型的，并且除了阴极灯丝和等离子体电极侧之外，整个内壁用作阳极。加速器组件由三个由铜制成的圆孔电极组成。模拟研究的重点是找到尽可能大的提高光束透射率和尽可能小的降低光束发散角的参数设置。从模拟结果可知，通过使等离子体电极（G1）薄型化、缩短第一间隙（G1-G2）、调整G2电压，能够实现该目的。
2013-06-05 physics.acc-ph
Numerical simulations of electron-cloud build up in circular accelerators in the presence of multimode-distribution beams
电子云效应已成为正电荷束运行的圆形粒子加速器的主要性能限制之一。在世界各地的其他机器中，欧洲核子研究中心的超级质子同步加速器（SPS）以及大型强子对撞机（LHC）都受到这些现象的影响。近年来，人们一直致力于提高对电子云（EC）产生的理解，以找到有效的缓解措施。在加速器物理学的不同领域，横向相空间中的非线性共振已经被提出作为操纵带电粒子束的新手段。虽然最初的目标是从CERN质子同步加速器（PS）执行多圈提取，但已经提出了其他几种应用。本文研究了水平多模分布的带电粒子束产生EC的问题。这种特殊的分布可以通过不同的方法产生，其中之一包括通过穿过非线性共振来分裂初始高斯光束分布。在本文中，详细的数值模拟的结果进行了介绍和讨论。
2020-01-20 physics.acc-ph
A Scattered-Field Formulation for Coupled Geometric Wakefield and Space Charge Field Simulations in Particle Accelerators
Technical University of Darmstadt（达姆施塔特工业大学）
本文提出了一种用于粒子加速器中耦合几何偶极场和空间电荷场模拟的自洽模型，通过数值方法验证了电磁偶极场对束流质量的影响。
2026-03-12 physics.acc-ph physics.comp-ph
Machine Learning for Orders of Magnitude Speedup in Multi-Objective Optimization of Particle Accelerator Systems
高保真物理模拟是带电粒子加速器设计和优化的有力工具。然而，这些模拟的计算负担往往限制了它们在设计优化和实验规划的实践中的使用。这也排除了它们作为直接与加速器操作相关的在线模型的使用。我们引入了一种基于机器学习的方法来创建非线性的，快速执行的代理模型，这些模型由物理模拟的稀疏采样来通知。模型的执行效率提高了10^6到10^7倍，我们还证明了这些模型可以可靠地用于多目标优化，以在初始设计研究和实验规划中获得数量级的加速。例如，我们需要少132倍的模拟评估，以获得我们的主要测试用例的等效解决方案，初步研究表明，当使用迭代再训练过程时，需要少330到550倍的模拟评估。我们的方法使高保真粒子加速器模拟的新方法被使用，在相对较小的计算成本。
2020-01-20 physics.acc-ph physics.comp-ph
Simulation of plasma accelerators with the Particle-In-Cell method
我们提出了标准的电磁粒子网格法，从离散近似的衍生物在一个统一的网格。应用二阶，集中，有限差分离散的运动方程和麦克斯韦方程，然后描述在一维，其次是二维和三维。各种算法，我们讨论了稳定性和精度，介绍和阐明的概念，如数值随机加热，CFL限制和数值色散。通过插值在各种订单的粒子和场量的耦合进行了详细说明，连同其对能量和动量守恒的影响。讨论了与等离子体加速器建模相关的一些特殊问题，如移动窗口、最佳洛伦兹助推框架、数值切连科夫不稳定性及其缓解。激光驱动和粒子束驱动加速器的模拟的例子，包括网格细化。最后，我们讨论了高性能计算和简要的展望。
2020-08-17 physics.acc-ph physics.comp-ph
Simulation Prediction and Experiment Setup of Vacuum Laser Acceleration at Brookhaven National Lab-Accelerator Test Facility
介绍了美国加州大学洛杉矶分校、复旦大学和美国国家实验室合作开展的真空激光加速器（VLA）第一阶段预实验计划和预测。这个第一阶段的实验是一个原理证明，以支持我们以前发布的新颖的VLA理论。模拟结果表明，在ATF现有的实验条件下，初始能量为15MeV的电子束可以从强流CO2激光束中获得净能量增益。利用ATF束线诊断系统可以观察到电子束能散的差异。而且这种能量扩展效应随着激光强度的增加而增强。该方案已得到ATF委员会的批准，下一步将进行实验。
2011-09-30 physics.acc-ph
BDSIM: An Accelerator Tracking Code with Particle-Matter Interactions
束流传输模拟（BDSIM）是一个模拟粒子在粒子加速器中通过的程序。它使用一套标准的高能物理代码（Geant 4，ROOT和CLHEP）来创建一个粒子加速器的计算模型，该模型将精确的加速器跟踪例程与Geant 4中粒子的所有物理过程相结合。这种独特的组合允许在加速器中进行辐射和探测器背景模拟，其中需要在长距离或圆形机器的许多旋转中精确跟踪所有粒子，以及与加速器材料的相互作用。
2020-02-05 physics.acc-ph physics.comp-ph
Uncertainty Modeling and Analysis of the European X-ray Free Electron Laser Cavities Manufacturing Process
本文报道了加速器腔体设计的不确定性量化和全局灵敏度分析的综合努力。作为案例研究对象的TESLA形超导腔，作为欧洲X射线自由电子激光器（EXFEL）的生产，被选中。这些腔的选择是由可用的测量数据来解释的，这些测量数据可以用来证实仿真模型。制造链的每一步都与所涉及的不确定性一起记录。这些步骤中的几个在模拟侧被模仿，例如通过引入随机特征值问题。然后量化的不确定性数值，特别是敏感性提供了宝贵的洞察系统的行为。我们还将这些发现与针对制造腔进行的纯统计研究进行了比较。更先进的，自适应的，代理建模技术，这是至关重要的，将大量的不确定参数。主要的贡献是详细的比较和融合的测量结果的EXFEL腔的一方面和基于模拟的不确定性研究的另一方面。在介绍了加速器腔的物理量和麦克斯韦本征值问题之后，详细介绍了EXFEL腔的制造和测量。其次是量化研究的不确定性建模。
2019-12-12 cs.CE physics.acc-ph
Investigating the Magnetic Field outside small Accelerator Magnet Analogs via Experiment, Simulation, and Theory
本文通过小型磁体类似物、智能手机传感器和 Magpylib 模拟，验证了加速器磁体外部磁场由单一多极矩主导并遵循 $B \propto 1/r^{l+2}$ 的幂律关系。
2023-05-26 physics.acc-ph physics.ed-ph
Simulations of slow positron production using a low energy electron accelerator
对高能电子与固体靶相互作用产生慢正电子的过程进行了蒙特卡罗模拟。模拟的目的是确定预期的慢正电子束强度从低能量，高电流电子加速器。通过模拟钽电子-正电子转换器的快正电子产生和正电子在钨慢化剂中的深度沉积分布，估算了每个入射电子的慢正电子产生几率。将计算结果归一化到目前AIST LINAC的实测慢正电子产额，确定了作为能量函数的预期慢正电子产额。对于能量为5 MeV（10 MeV）和电流为240 $μ$ A（30 $μ$ A）的电子束，预测了强度为5 $\times$ 10 $^{6}$ s $^{-1}$的慢正电子束的产生。该模拟还计算每个电子在转换器中沉积的平均能量，允许在给定的电子能量和电流下估计射束加热。对于低能量、高电流操作，可获得的最大正电子束强度将受到该束加热的限制。
2011-05-10 physics.acc-ph
The Memory Scaling of Reverse-Mode Differentiation in Particle Accelerator Simulations with Space Charge
Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）；SLAC National Laboratory（斯坦福直线加速器中心）；Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步加速器）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）
研究了基于PyTorch的束流追踪代码Cheetah中空间电荷计算对反向模式自动微分记忆使用的影响，发现记忆使用与宏粒子数、网格数及空间电荷踢数线性增长，可用于评估硬件内存约束下的模拟可行性。
2026-05-26 physics.acc-ph physics.comp-ph
Effects of Hyperbolic Rotation in Minkowski Space on the Modeling of Plasma Accelerators in a Lorentz Boosted Frame
激光驱动等离子体加速器承诺更短的粒子加速器，但他们的发展需要详细的模拟，挑战或超过目前的能力。我们报告的第一个直接模拟的阶段高达1 TeV的模拟使用洛伦兹提升计算帧导致一百万倍的加速，由于帧提升高达伽玛=1300。在闵可夫斯基空间中的双曲旋转的影响所产生的帧上的激光在等离子体中的传播被证明是关键的数值不稳定性，限制了以前的尝试缓解。
2010-11-04 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Injection Optimization at Particle Accelerators via Reinforcement Learning: From Simulation to Real-World Application
本文提出基于Soft Actor-Critic、域随机化和密集神经网络的强化学习框架，用于粒子加速器注入优化，并在COSY真机上达到人类操作员水平且耗时更短。
2025-02-19 physics.acc-ph
Gridless Quasistatic Model for Efficient Simulation of Plasma-based Accelerators
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步加速器）；Universidade de Santiago de Compostela（圣地亚哥-德孔波斯特拉大学）；UHasselt, Faculty of Sciences（哈瑟尔特大学理学院）；CERN（欧洲核子研究组织）；Universidad Carlos III de Madrid（马德里卡洛斯三世大学）
本文提出一种无网格准静态算法，用于高效模拟基于等离子体的加速器，通过轴对称等离子体波浪的建模，减少计算成本，适用于未来纳米米发射度束的等离子体对撞机设计。
2026-03-17 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Expanding LUME to Support Virtual Accelerators and Digital Twins
SLAC National Accelerator Laboratory（SLAC国家加速器实验室）；xLight
本文扩展 LUME Python 包，通过引入 LUMEModel 抽象和变量系统，实现跨异构仿真后端和控制系统的虚拟加速器与数字孪生的标准化部署，提升可重用性和灵活性。
2026-06-19 physics.acc-ph
Reinforcement Learning for Accelerator Beamline Control: a simulation-based approach
Laboratory of Methods for Big Data Analysis, HSE University（大数据分析方法实验室，俄罗斯莫斯科高等经济大学）；Budker Institute of Nuclear Physics（布德克核物理研究所）；Tikhonov Moscow Institute of Electronics and Mathematics,HSE University（图辛诺夫莫斯科电子数学研究所，俄罗斯莫斯科高等经济大学）
本文提出RLABC库，利用强化学习优化加速器束线配置，通过DDPG算法实现94%和91%的传输率，提升束线调节效率。
2025-10-18 cs.AI physics.acc-ph
H- Beam formation simulation in negative ion source for CERN's Linac4 accelerator
本研究改造ONIX三维粒子模拟蒙特卡洛程序，模拟CERN Linac4单孔径H⁻离子源的束形成与引出过程，并通过实验结果进行基准验证。
2023-01-31 physics.acc-ph
Experiment and simulations of sub-ps electron bunch train generation at Fermilab photoinjectors
最近，在费米实验室A0光电注入器上，利用横向-纵向相空间交换光束线，实验上实现了亚皮秒时间结构的电子束团串的产生。束团训练的时间分布可以很容易地调节，以满足现代加速器束流应用的要求。在本文中，我们报告的A0束流列车实验，并探讨了这种技术的可能扩展到更短的时间尺度在费米实验室SRF加速器测试设施，超导线性电子加速器目前正在建设中的NML大楼。
2012-01-27 physics.acc-ph
Preliminary design of laser accelerator beam line
北京大学正在建造一台小型激光等离子体加速器（CLAPA），它是基于RPA-PSA机制或其他加速机制的。根据预实验和理论模拟得到的光束参数，对光束线进行了初步设计。束流线主要由普通的输运元件组成，输出能量为1~ 50 MeV、能散为0~1%、脉冲电流为0~108个质子的质子束流，以满足不同实验的需要。本文给出了15 MeV质子束在能散为1%、脉冲电流为1 × 108、束斑半径为9mm条件下的模拟结果。
2013-11-28 physics.acc-ph
Cheetah: Bridging the Gap Between Machine Learning and Particle Accelerator Physics with High-Speed, Differentiable Simulations
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步加速器研究所）；Karlsruhe Institute of Technology (KIT)（卡尔斯鲁厄理工学院）；Hamburg University of Technology（汉堡工业大学）
本文提出基于PyTorch的高速可微分线性束流动力学代码Cheetah，通过大幅降低计算时间实现大数据集快速收集与梯度优化，并展示其在强化学习、束线调谐等五个示例中的应用，以促进机器学习在加速器物理中的集成。
2024-01-11 cs.AI cs.LG physics.acc-ph
Beam Physics of Integrable Optics Test Accelerator at Fermilab
费米实验室的积分光学测试加速器是一个电子储存环，旨在测试先进的加速器物理概念，包括实施非线性积分束流光学和光学随机冷却实验。该机器目前正在先进超导测试加速器设施中建造。在本报告中，我们介绍了该项目的目标和现状，并描述了机器设计的细节。特别是，我们专注于数值模拟设置的设计要求，并支持机器参数的选择。
2013-01-28 physics.acc-ph
STEAM: A Hierarchical Co-Simulation Framework for Superconducting Accelerator Magnet Circuits
模拟超导加速器磁路中的瞬态效应需要考虑电路元件（如功率转换器、磁体和保护系统）之间的相互电-热-动态相互作用。然而，传统上对电路中的每个元件单独进行数值分析，导致可能的不一致结果。我们提出了STEAM，一个分层的协同仿真框架，具有波形松弛方法。该框架将复杂系统模拟为交换信息的更简单、独立的模型的组合。耦合算法的收敛性保证了解的一致性。框架的模块化允许集成使用专有和内部工具开发的模型。该框架实现了一个用户可定制的分层算法来调度模型如何参与协同仿真，以有效地使用计算资源。作为一个案例研究，猝灭的情况下，共同模拟的高亮度升级的LHC在欧洲核子研究中心的内三重态电路。
2018-01-26 cs.CE physics.acc-ph
OPAL a Versatile Tool for Charged Particle Accelerator Simulations
为了理解粒子加速器的行为，人们开发了许多复杂的计算机模型。即使是这些复杂的模型也往往不能描述测量数据。束与外部场、同一束中的其他粒子和束壁的相互作用都提出了建模挑战。即使使用现代超级计算机，也很难正确建模。本文介绍了OPAL（面向对象的并行加速器库），一个并行开源工具，带电粒子光学在直线加速器和环，包括3D空间电荷。OPAL是作为一个并行应用程序从头开始构建的，它体现了高性能计算是科学的第三条腿，补充了理论和实验。使用MAD语言和扩展，OPAL可以在笔记本电脑上运行，也可以在最大的高性能计算系统上运行。OPAL框架可以很容易地以新的C++类的形式添加新功能，从而可以对许多物理过程和场类型进行建模。欧泊有两种口味：OPAL周期：跟踪粒子的三维空间电荷，包括邻近的回旋加速器和FFA的转弯与时间作为自变量。OPAL-t：模型束线，直线加速器，射频光注入器和完整的XFEL不包括波荡器。代码通过git分布式版本控制系统进行管理。已经为OPAL的各个部分开发了一套单元测试，独立地验证代码的每个部分。系统测试验证不同元素的整体集成。
2019-05-16 physics.acc-ph
A novel adaptive time stepping variant of the Boris-Buneman integrator for the simulation of particle accelerators with space charge
我们表明，自适应时间步进在粒子加速器模拟是一个增强某些问题。新算法已在OPAL（面向对象的并行加速器库）框架中实现，并与现有代码进行了比较。这个想法是调整昂贵的自场计算的频率，这是需要模拟库仑相互作用（空间电荷）的影响。在类比开普勒轨道模拟，需要更高的时间步长分辨率在近距离接触，我们建议选择的时间步长的基础上的大小的空间电荷力。受几何积分技术的启发，我们的算法选择的时间步长与当前相空间状态的函数成比例，而不是像传统的自适应程序计算局部误差估计。在本文中，我们建立在最近的工作中所作的第一次观察。一个更深刻的论点是如何准确地选择时间步长。一个中间的算法，最初建立，以允许一个更清晰的分析，通过引入单独的时间步长的外部领域和自我领域的整合，原来是有用的本身已经为一大类的问题。
2012-11-15 math-ph math.MP physics.acc-ph
A 2-D Finite-Element Model for Electro-Thermal Transients in Accelerator Magnets
由于磁场中储存的能量很大，超导加速器磁体需要复杂的监测和保护手段。数值模拟在理解磁体内发生的瞬态现象方面起着至关重要的作用，因此可以帮助防止破坏性后果。本文提出了一个用于模拟超导加速器磁体电热瞬态过程的二维有限元模型。磁准静态问题的解决与修改后的磁矢量位的制定，其中电缆涡电流解决其等效磁化。然后研究了热平衡方程，并讨论了有关热源。该模型实现了一个双端口组件接口，并解决了，作为电路的一部分，在一个合作的仿真计划与集总参数网络。
2017-12-05 physics.acc-ph physics.comp-ph
Differentiable simulations for particle tracking in accelerators: analysis, benchmarking and optimization
针对加速器物理优化中梯度计算成本高的问题，开发基于自动微分的可微代码，在FODO单元和CERN束流线案例中与有限差分进行基准对比，并嵌入优化程序验证其高效性。
2025-07-11 physics.acc-ph
Hybrid Methods for Muon Accelerator Simulations with Ionization Cooling
μ子电离冷却涉及使粒子通过固体或液体吸收剂。设计μ子冷却通道需要仔细的模拟。已经开发了新的功能，包括在转移映射代码COSY Infinity中，以跟踪带电粒子在物质中的分布。为了研究μ子在物质中的通过，仅仅用转移图方法是不够的。束流光学和原子过程的相互作用必须用混合转移映射--Monte-Carlo方法来研究，其中转移映射方法描述粒子的确定性行为，Monte-Carlo方法用于提供解释粒子散射和离散的随机性质的修正。新方法的优点是，绝大多数的动态表示的快速应用程序的高阶传递映射的整个元素和累积的随机效应。预计速度的提高将简化通常需要计算的冷却通道的优化。所需的算法和它们的应用建模μ子电离冷却通道的发展进展的报告。
2018-06-12 physics.acc-ph
Optimizing Beam-Plasma Interactions Through Jitter Analysis Using Start-to-End Simulations
本研究针对传统加速器空间与成本高的问题，聚焦PWFA中的时间抖动不稳定性，通过FACET-II装置的多工具端到端模拟分析抖动对束流参数的影响，证实设置精度的重要性，为提升PWFA系统可靠性与精度提供支撑，并提出未来结合机器学习优化的方向。
2024-12-12 physics.acc-ph
Simulation of conduction cooling of a 650MHz 5-cell cavity
该研究报告介绍了一个低温冷却器传导冷却的650 MHz SRF腔体的耦合RF和热模拟的结果，该腔体由大块铌制成，并在RF表面上涂覆有Nb3Sn。该腔是粒子加速器设计的一部分，能够产生10 MeV，1000 kW的电子束，用于废水处理。加速器设计的更多细节在R.C. Dhuley等人（2022）Phys. Rev. Accel.梁25，041601。
2022-10-24 physics.acc-ph
Fringe field simulations of a non-scaling FFAG accelerator
固定场交变梯度（FFAG）加速器以低成本提供了高质量、中等能量离子束的潜力。这些结构的建模是具有挑战性的传统光束跟踪代码，因为大的径向偏移的光束和边缘场效应的意义。在加速过程中，大量的调谐共振交叉，这将导致束流的不稳定性和储存环中的损失。在非定标FFAG中，希望这些共振能够足够快地交叉以防止光束损失。需要进行模拟以确定情况是否确实如此。在这里，我们模拟了一个非标度的FFAG加速质子从31到250兆电子伏。我们仅假设弯曲磁体具有中平面对称性，在中平面中具有指定的垂直弯曲场（y=0）。磁场可以得到无处不在使用幂级数展开，我们开发的数学工具来计算这种扩展到任意阶时的纵向场分布是由恩格函数。我们比较使用一个传统的硬边条纹与一个更准确的，软边条纹场模型。调谐1/3共振是最强的，在硬边条纹模型中穿过它会导致21%的光束损失。采用软边条纹模型，光束损失小于6%。
2012-02-03 physics.acc-ph
Harnessing the Power of Gradient-Based Simulations for Multi-Objective Optimization in Particle Accelerators
本文提出深度可微分强化学习算法，在粒子加速器中同时优化热负荷与停机率，利用可微分代理模型反向传播梯度，并在高维问题上优于无模型强化学习、遗传算法和贝叶斯优化。
2024-11-07 cs.NE physics.acc-ph
