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RadiaSoft で改良型シンクロトロン真空チャンバーへの道を開く

RadiaSoft とアルゴンヌ国立研究所は, シンクロトロンの輝度を高めるために協業しています. 彼らはユーザーフレンドリーなシミュレーションツールを作成し, シンクロトロン真空チャンバーの設計を合理化し, その過程で粒子加速器の研究を進めました.


Bridget Paulus著
2019年12月

シンクロトロン光源とは, 様々な分野にわたる科学研究に使用される粒子加速器の一種です. 電子ビームは, 線形加速器(LINAC)と円形ブースターシンクロトロンで構成される加速器チェーンを使用して, 非常に高い(超相対論的)速度に加速されます. 蓄積リングに注入されると, ビームは強力な磁石によって円軌道に向けられ, 電子の湾曲した軌道に正接するX線放射が放出されます. 放射で失われたエネルギーは, リングに沿って配置された高周波キャビティで回転ごとに復元する必要があります. 多くのビームラインはシンクロトロンから分岐しており, それぞれのビームラインには, 特定の実験およびサンプルの要件に従ってX線を変更する光学要素の固有のシーケンスが含まれています.

シンクロトロンからの放射線は「スーパーマイクロスコープ」として機能し, 科学者が材料や化学プロセスを覗くことができるようにしてくれます. 例えば, シンクロトロンを使用して, 結晶の内部構造を調べたり, 考古学的発見(古代の陶器など)を非破壊的にテストしたり, 複雑なタンパク質を研究したりできます. ただし, 解析はさまざまですが, 要件はすべての場合で同じです. それは, ビームはできるだけ強い必要があるということです.

Figure 1. The Advanced Photon Source (APS), a synchrotron at Argonne National Laboratory.

アルゴンヌ国立研究所のシンクロトロンである Advanced Photon Source(APS)

より高度な研究を促進するために, 多くの施設がシンクロトロンビームの輝度を高めることを計画しています. アルゴンヌ国立研究所(ANL)のAdvanced Photon Source(図1)も, もちろん例外ではありません. ただし, この課題を達成することは非常に困難です. シミュレーションを使用して粒子加速器を設計する会社, RadiaSoft LLC のNicholas Goldring氏は, デバイスが真空科学, 磁場, 熱, および粒子運動を含むため, 加速器を改善するプロセスを「本質的にマルチフィジックスの問題」と説明しています. 個々の部品を最適化することさえ難しい場合があります. 例えば, 電子ビームが通過する真空チャンバーは, 全て相互に作用して影響しあう複雑な現象を伴い, 長く複雑な開発プロセスを生み出します.

それらの全ての影響を考慮できる真空チャンバーの設計ツールを作成するために, RadiaSoft と ANL は米国エネルギー省の支援を得てチームを組みました. COMSOL® ソフトウェアを使用して, グループはシンクロトロン真空チャンバーの包括的なマルチフィジックスモデルを開発しました. モデリングワークフローに別のステップを追加して, 研究者は使いやすいグラフィカルインターフェースを作成しました. これは, 世界中の粒子加速器施設に配布するシミュレーションアプリケーションです.

真空チャンバーのマルチフィジックスのモデリング

真空チャンバー(図2)は, 粒子加速器の有効性にとって重要です. Goldring氏によれば, チャンバーは電子ビームが妨げられずに伝播できるようにナノ Torr 領域の圧力を維持する必要があります. 圧力が高いと, ガス粒子が多すぎて散乱が発生し,ビーム損失が発生します. これらのシナリオや高温, シンクロトロン放射, ガス放出,脱離などの影響を正確に考慮すると, 特にこれら全ての現象が互いに影響し合う場合, 複雑になる可能性があります.

Figure 2. Cross section of a 2D axisymmetric vacuum chamber geometry. This design is used for the APS and needs to be downsized from 190 mm to 22 mm for an upgrade.

2D軸対称真空チャンバー形状の断面. このデザインはAPSに使用され, アップグレードするには190 mmから22 mmにダウンサイズする必要があります.

真空チャンバーを開発するために, 粒子加速器のエンジニアはシミュレーションソフトウェアを頼ることがよくあります. ただし, Goldring氏は, 従来のツールは高度に専門化されており, 通常は1つの物理プロセスしかシミュレートしないと指摘します. さらに, これらのソフトウェアパッケージにはドキュメントが(もしある場合は)非常に少ない傾向があるため, 実際にそれらを使用するための学習曲線が急になり, サイロ化された作業環境が形成されます. 1人のエンジニアは光線追跡分析の実行に優れており, 別のエンジニアはガスの流れと圧力の計算に特化していたり, 各エンジニアは設計の特定の変更をテストし, 反復ごとに結果をやり取りします.

このプロセスを合理化するために, RadiaSoft は COMSOL Multiphysics® とアドオンの光線光学モジュールと分子流モジュールを使用しました.「私たちは, COMSOL のマルチフィジックス機能に興味を持ちました. 」Goldring氏は,これにより, 真空エンジニアがより簡単な方法で実行する必要がある重要な計算をすべて求解できると言います. また, あいまいで複雑なシミュレーションは, より簡単に, 全て1か所で行うことができると付け加えます.

Goldring氏は, 他のソフトウェアと比較して, COMSOL Multiphysics はより優れたデータ分析ツール, ソルバータイプなどを含む追加の利点を提供すると述べています. 「COMSOL の良いところは, 一度に複数のガス種をモデル化できることです」とGoldring氏は分子流シミュレーションについて語っています. 標準的なアクセラレーターシミュレーションソフトウェアは, 通常, 一度に1つの化学種しかシミュレーションできません. さらに, COMSOL で他の専用ソフトウェアの機能を複製して, 同じくらい正確な結果を得ることができます. Goldring氏は, 様々なモデルの結果を, 真空チャンバー内の自由分子流専用のソフトウェアで作成された類似モデルと比較し, 両者のがよく一致していることがわかりました.

粒子加速器シミュレーションアプリケーションの力

RadiaSoft と ANL は, COMSOL Multiphysics のアプリケーションビルダーを使用して, 使いやすいインターフェースを真空チャンバーモデルに追加し, シンクロトロン放射の伝播が設計に与える影響を簡単に分析できるようにしました. Goldring氏は, アプリケーションを作成することで, 「複雑な光線追跡の設定方法を理解するために, モデルの中を見る必要はありません」と語っています. 代わりに, ビームの開始位置と磁石の外観を定義し, CADジオメトリをインポートし, 圧力,温度などを見つけます.

Figure 3. Simulation application of synchrotron radiation ray tracing in a vacuum chamber.

真空チャンバー内でのシンクロトロン放射光線追跡のシミュレーションアプリケーション.

シミュレーションアプリケーション(図3)は, 真のマルチフィジックス問題を求解します. 光線光学シミュレーションを使用してシンクロトロン放射の伝播を分析し, X線がチャンバー壁に当たったときの真空チャンバー圧力に対するガス放出の影響を観察します. アプリケーションのユーザーは, 電子ビーム源, ビームのエネルギーとアーク長, 双極子磁石の強度などのパラメーターを定義できます. ユーザーが[計算]をクリックした後, アプリケーションは光線の経路と電力, およびチャンバー内の温度を可視化します. 粒子加速器エンジニアにとって, これらの結果は, 様々なポイントでの高エネルギービームの放射パワー分布に関する貴重な洞察を提供し, ビームがシンクロトロン内を移動するときの分布の変化を調べることを可能にします.

このアプリケーションは, 真空チャンバーの壁からの脱離量を計算するためにも使用できます. (図4)チャンバー内では, 高エネルギー粒子ビームがシンクロトロン放射を発生させてチャンバーの壁に当たり, ガス分子が放出され, 真空内の圧力が変化します. ただし, 真空圧を維持することは, ビームの寿命にとって重要です. ビームを無効化を避けるために, どのくらいの量のガスが壁から出てチャンバーに入るかを知ることが重要です.

Figure 4. Simulation application for calculating gas desorption and pressure.

ガスの脱着と圧力を計算するためのシミュレーションアプリケーション.

シミュレーションアプリケーション(図4)はこの計算を単純化し, 光線追跡シミュレーションを光子束密度を壁上の累積光線数に変換する方程式と組み合わせることにより, 様々な種の脱着ガスを計算します. 次に, この入射エネルギーフラックスを使用して, 自由分子流シミュレーションで境界条件を設定し, チャンバー内のガス放出分子の密度と圧力を予測します. Goldring氏が述べるように, 「このツールを使用すると, フラックスプロファイルをインポートして, その特性と材料特性に応じて排出されるガス量を自動計算できます.」シミュレーションアプリケーションには, 複数のガス種を同時に含めることもできます.

コラボレーションの促進とフィードバックの取得

Goldring氏は, シミュレーションアプリケーションを構築した後, COMSOL Server™ 製品を使用して, プロジェクトに関係する他の人々にそれを配布しました(図5). RadiaSoft のPaula Messamer氏によると, アプリケーションを作成して配備することで, 真空チャンバーの設計プロセスをより協調的かつ効率的にすることができます. 「このアプリケーションを使用すると, 専門知識のレベルが低い人でも, コードを作成したエンジニアに尋ねに戻ることなく, また急な学習曲線をたどる必要なく, 質問に対する回答を得ることができます」と彼女は言い,「本質的には電卓のようです」と付け足します.

Figure 5. RadiaSoft’s applications in their instance of COMSOL Server™.

COMSOL Server™ のインスタンスにおける RadiaSoft のアプリケーション.

また, アプリケーションを配備すると, RadiaSoft は現場のユーザーからフィードバックを得ることができ, ユーザーのニーズに合わせてアプリケーションのインターフェースをカスタマイズすることができます. Goldring氏は, このアプリケーションは ANL だけでなく世界中の他の粒子加速器施設でもテストされていると述べています.

真空チャンバーシミュレーションアプリケーションをさらに改善するための計画

Goldring氏は将来, アプリケーションを改善して任意のジオメトリのインポート機能を含めることを計画しています. これにより, ユーザーはさらに容易に様々な真空チャンバーの設計をテストおよび最適化できるようになります. さらに, RadiaSoft は, アプリケーションを一般化して, 様々なタイプの既存および将来の粒子加速器に対応していきたいと考えています.

シミュレーションアプリケーションを導入することにより, RadiaSoft と ANL のチームは, 真空チャンバーを改善するための専用ツールをエンジニアに提供し, より効率的な設計と最適化プロセスを実現しています. これにより, さらに高性能な粒子加速器が可能になり, 最先端の研究とイメージングが容易になります.

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