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Numerical methods for the simulation of particle motion in electromagnetic fields

Simona, Abele (2020)
Numerical methods for the simulation of particle motion in electromagnetic fields.
Politecnico di Milano; Technische Universität Darmstadt
doi: 10.25534/tuprints-00011687
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

In this thesis we study numerical methods for the approximate solution of problems arising in electromagnetism. Its main motivations come from applications to the modelling of high-energy particle accelerators. In this framework, we first compare the efficiency of several numerical methods for the omputation of particle trajectories in the design of a magnetic quadrupole for the High Luminosity - Large Hadron Collider (HL-LHC) project and we analyse the use of a specific vector potential gauge to reduce the computational cost. The results from this first comparison motivate the subsequent investigation of the accuracy of the numerical approximation of the field. We therefore develop a new type of discretization for the reconstruction of the magnetic scalar potential in cylindrical domains and we apply it to the field reconstruction from a realistic measurement process in a Bayesian framework. We compare this method with the reconstruction obtained by a more classical method based on the separation of variables, highlighting the benefits of the new type of discretization and its applicability to the reconstruction process. Motivated by the need of efficient methods for the description of electromagnetic fields, we extend the study to other types of problems for axisymmetric domains, which have a high practical relevance in particle accelerator applications. In this context, we propose the use of a method based on the Fourier basis and IsoGeometric Analysis (IGA) to exploit, on one hand, the computational efficiency that can be achieved thanks to the symmetry of the domain and, on the other, the exact representation of the geometry and the good approximation properties achievable in a IGA framework. Moreover, the proposed method forms a de Rham complex, which is a crucial property that allows to obtain a stable method which produces physically correct approximations. We finally apply the method to the computation of resonant modes of an accelerating TESLA cavity.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2020
Autor(en): Simona, Abele
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Numerical methods for the simulation of particle motion in electromagnetic fields
Sprache: Englisch
Referenten: Schöps, Prof. Dr. Sebastian ; Russenschuck, Dr.-Ing Stephan ; Vázquez, Dr. Rafael
Publikationsjahr: 3 März 2020
Ort: Darmstadt
Datum der mündlichen Prüfung: 13 März 2020
DOI: 10.25534/tuprints-00011687
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/11687
Kurzbeschreibung (Abstract):

In this thesis we study numerical methods for the approximate solution of problems arising in electromagnetism. Its main motivations come from applications to the modelling of high-energy particle accelerators. In this framework, we first compare the efficiency of several numerical methods for the omputation of particle trajectories in the design of a magnetic quadrupole for the High Luminosity - Large Hadron Collider (HL-LHC) project and we analyse the use of a specific vector potential gauge to reduce the computational cost. The results from this first comparison motivate the subsequent investigation of the accuracy of the numerical approximation of the field. We therefore develop a new type of discretization for the reconstruction of the magnetic scalar potential in cylindrical domains and we apply it to the field reconstruction from a realistic measurement process in a Bayesian framework. We compare this method with the reconstruction obtained by a more classical method based on the separation of variables, highlighting the benefits of the new type of discretization and its applicability to the reconstruction process. Motivated by the need of efficient methods for the description of electromagnetic fields, we extend the study to other types of problems for axisymmetric domains, which have a high practical relevance in particle accelerator applications. In this context, we propose the use of a method based on the Fourier basis and IsoGeometric Analysis (IGA) to exploit, on one hand, the computational efficiency that can be achieved thanks to the symmetry of the domain and, on the other, the exact representation of the geometry and the good approximation properties achievable in a IGA framework. Moreover, the proposed method forms a de Rham complex, which is a crucial property that allows to obtain a stable method which produces physically correct approximations. We finally apply the method to the computation of resonant modes of an accelerating TESLA cavity.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

In dieser Arbeit untersuchen wir numerische Methoden zur näherungsweisen Lösung von elektromagnetischen Feldern. Die Hauptmotivation ist die Anwendung in Teilchenbeschleunigern. In diesem Rahmen vergleichen wir zunächst die Effizienz verschiedener numerischer Methoden für die Berechnung von Partikeltrajektorien beim Entwurf eines magnetischen Quadrupols für das High-Luminosity LHC-Projekt und wir analysieren die Verwendung eines spezifischen Vektorpotentials zur Reduzierung der Berechnungskosten. Die Ergebnisse dieses ersten Vergleichs motivieren die anschließende Untersuchung der Genauigkeit der numerischen Näherungen der Felder. Wir entwickeln ein neues Verfahren zur Diskretisierung des magnetischen Skalarpotentials in zylindrischen Gebieten und verwenden sie zur Feldrekonstruktion mittels Daten eines realistischen Messverfahrens basierend auf dem Satz von Bayes. Wir vergleichen die neue Methode mit der Rekonstruktion, die durch eine klassischeren Ansatz, der auf der Trennung der Variablen basiert, erhalten wurde. Wir diskutieren die Vorteile der neuen Diskretisierung und ihrer Anwendbarkeit auf den Rekonstruktionsprozess. Motiviert durch den Bedarf an effizienten Methoden zur Beschreibung elektromagnetischer Felder, dehnen wir die Studie auf weitere achsensymmetrische Probleme aus, die eine hohe praktische Relevanz in der Anwendung von Teilchenbeschleunigern haben. In diesem Zusammenhang schlagen wir die Verwendung einer Methode vor, die auf der Fourier-Basis und der IsoGeometrischen Analyse (IGA) basiert. Sie nutzt zum einen die durch die Symmetrie der Domäne erzielbare Recheneffizienz und zum anderen die exakte Darstellung der Geometrie und die guten Approximationseigenschaften, die durch IGA erreichbar sind. Darüber hinaus folgt die vorgeschlagene Methode dem de Rham-Komplex, der es garantiert, eine stabile Methode zu erhalten, die physikalisch korrekte Näherungen liefert. Wir wenden die Methode schließlich auf die Berechnung von Resonanzmoden eines beschleunigenden TESLA-Resonators an.

Deutsch
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-116876
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 510 Mathematik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Teilchenbeschleunigung und Theorie Elektromagnetische Felder > Computational Electromagnetics
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Teilchenbeschleunigung und Theorie Elektromagnetische Felder
Hinterlegungsdatum: 13 Aug 2020 13:23
Letzte Änderung: 01 Dez 2023 07:56
PPN:
Referenten: Schöps, Prof. Dr. Sebastian ; Russenschuck, Dr.-Ing Stephan ; Vázquez, Dr. Rafael
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 13 März 2020
Export:
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