控制电子束在国际直线对撞机

国际直线对撞机(ILC)承诺拉近物理学家回答这些基本问题。

这15年的设计工作,由科学家和工程师的工作在世界各地的大学和实验室,早在2016年就可以产生一个操作对撞机。

ILC是一个高度复杂的机器,20000加速结构。它包含两个20-kilometer-long线性加速器加速电子和正电子束向对方,产生碰撞能量1000千兆电子伏特。

在不到5纳米厚,接近光速旅行,ILC的粒子束太薄,最小的干扰会导致偏差。因此,ILC设计必须占了地球的自然运动地震和月亮的潮汐把地面运动引起的火车和汽车。

格伦白色,加速器物理学家玛丽女王,伦敦大学,设计和开发的反馈系统,使光束通过对撞机对齐。在这篇文章中,白解释他如何使用多个模拟和高通量计算快速测试调优,对齐,和反馈算法在现实的模型。

提供交互点的粒子束,同时保持一个小光束大小需要非常准确的校准和调优算法在分布式反馈系统。我们使用MATLAB和金宝app设计控制系统,整个ILC模型,模拟的粒子束穿过加速器和成千上万的磁相互作用的元素。

当梁碰撞

粒子束是比人的头发细一千倍。准确提供这么小的光束是一项艰难的技术挑战,巨大的需求定位和操作机器的所有组件的公差。

ILC,将在200亿年束碰撞粒子束,列车的3000束到达碰撞点每300纳秒。第一束火车通常因为小姐的地面运动。碰撞率在很大程度上取决于碰撞束的形状,和整个过程是高度非线性的。我们的任务是发展非常快的电子和beam-correction系统需要调整光束,确保尽可能多的粒子碰撞,如任务不需要或遇到任何加速器项目之前。

整个ILC系统建模

在项目开始以来的15年里,研究人员在全球范围内创造了许多不同的模型线性对撞机组件,包括系统产生光束,加速他们的部分,和组件准备梁碰撞。一些人用MATLAB编写的,但其他语言编写的许多人,包括C和c++。

在设计光束阵列算法之前,我们需要将这些单独的模型和模拟整个系统。这是第一次,所有的模型已经汇集了以这种方式来创建一个完整的模型,并且再一次,ILC的任务是独一无二的。

我的同事彼得•坦南鲍姆,双重开发一套核心粒子追踪算法在MATLAB,我们使用模拟通过ILC光束的传输。一个结构单元阵列包含所有关于机器的信息,如个人磁铁的强度。MATLAB程序对这个数组提供控制功能,例如,改变磁铁的力量。在一个较低的水平,我们使用mex files将C例程执行计算密集型操作,如运输梁通过元素粒子。

运行多个模拟碰撞过程

我们使用仿真软金宝app件模拟运行,轨道梁通过加速器系统。一个模拟,称为种子,600粒子束传输,每个代表一个实际的80000个粒子组成,通过20公里beamline组件的两次。每个模拟包含了所有可能的地面运动的影响。

我们运行多个蒙特卡罗模拟模型随机加速器缺陷和各种公差。到达一个优化设计,我们必须重复每组模拟不同的机器配置。现代CPU上,模拟一个种子需要两到三天的处理时间。我们通常评估100年种子每台机器的配置。

加速仿真

跟踪成千上万的束和数以百万计的粒子通过数百个组件是一个极其苛刻的仿真任务。处理体积我们需要一个环境,使我们能够模拟许多种子在平行跟踪所有的结果和相应的参数设置。

我们使用并行计算工具箱设置这个环境在玛丽女王的大规模集群。在这348 -处理器系统中,一个守护进程拿起新的工作人员添加到数据库。并行计算工具箱运行每个种子的新工作在一个单独的处理器通过一批毛伊岛调度器和便携式系统集群。结果和仿真参数自动存储在数据库中。

使用这个环境我们可以评估所有100个种子为特定的机器配置在同一时间需要完成一个种子在单个CPU。

测试算法在真实的仪器和设备

我已经开始测试我们的算法加速器测试设备(ATF)在筑波,日本。ATF是一个真正的粒子加速器,决定了光束的轨迹和措施他们的位置走了过去。我使用一个Lyrtech信号处理板,基于VirtexII Xilinx FPGA芯片,处理梁位置信号设备在ATF。我计划通过Xilinx FPGA逻辑系统所提供的发电机和blockset Lyrtech处理板。然后我可以使用仿真软件在ILC金宝app和程序测试的反馈模型相同的逻辑到Lyrtech板测试的真正考验加速器与实际光束。沟通到Lyrtech处理板,其adc和dac和板载FPGA是通过实时车间通过机载德州仪器DSP芯片。

我们将在接下来的几个月,运行这些测试仪器控制工具箱控制信号发生器,不断获得梁位置和硬件诊断信息从高带宽美国泰克示波器和其他设备。我们将在MATLAB分析数据,并根据分析的结果进一步完善我们的控制算法。

期待一个操作ILC

今年晚些时候,我们预计释放一个参考设计报告将作为一个构建的ILC的蓝图。就像我的世界各地的粒子物理学家,我预测的国际融资协议和选址过程在运营第一束ILC未来十年的下半年。