Программное обеспечение Opera Simulation — это программный пакет для анализа методом конечных элементов, который позволяет пользователям выполнять симуляцию электромагнитных и электромеханических систем в двух или трех измерениях. Opera дополняет существующий портфель SIMULIA EM расширенными возможностями низкочастотной симуляции, что очень важно для проектирования магнитов, электродвигателей и других электрических машин.
Магниты для ускорителей частиц
Магниты повсеместно используются в современной жизни, они используются в двигателях, генераторах, ветряных турбинах, сталелитейных заводах, игрушках и всевозможном технологическом оборудовании. Они также необходимы для нескольких различных классов устройств, включая ускорители частиц.
Магниты ускорителя частиц
Пучки ускорителей частиц используются для лечения онкологических больных и для создания радиоактивных изотопов для медицинской диагностики, медицины и стерилизации инструментов. Они используются для изготовления компьютерных микросхем и для обработки биологических отходов. Ускорители частиц также используются для изучения белков и молекул, включая такие вирусы, как COVID-19. Самые мощные ускорители частиц, такие как LHC в ЦЕРН (см. рис. 1), используются для физики элементарных частиц. Они созданы многонациональными коллаборациями, стремящимися пролить свет на основные составляющие Вселенной.
Ускорители частиц бывают нескольких различных форм: линейные ускорители или линейные ускорители, а также круговые ускорители, причем наиболее распространены циклотроны и синхротроны. Все они используют радиочастотные электромагнитные волны для ускорения заряженных частиц, а различные виды магнитов — постоянные, резистивные и сверхпроводящие — для отклонения и фокусировки пучков частиц.
Магниты, используемые для управления лучом, должны быть спроектированы точно, чтобы лучи оставались сфокусированными и достигали цели в нужной точке. SIMULIA Opera используется для разработки различных типов магнитов, каждый из которых выполняет определенную роль в этих новаторских устройствах. На рис. 2 показан квадрупольный магнит, смоделированный в SIMULIA Opera, с отображением плотности магнитного потока на стальных полюсах, а также на поперечном сечении, через которое должен пройти луч.
Хотя ускорители частиц могут принимать разные формы, в каждом из них обычно будут изгибные магниты, фокусирующие магниты, корректоры и кикеры. Типичные соображения проектирования включают желаемые результаты, такие как плотность потока и однородность, при соблюдении ограничений, таких как индуцированные силы, тепловые потоки и сохранение желаемых рабочих параметров доступных материалов. На рис. 3 показано изображение модели диполя в масштабе ¾, а также расчет коэффициентов Фурье плотности потока по окружности вокруг области пучка — обычный метод для демонстрации однородности поля.
Изгибные магниты, как следует из их названия, используют силы, действующие на частицу из-за ее движения в магнитном поле, для направления луча. Сила рассчитывается по закону силы Лоренца:
Трехмерная модель диполя показана на рисунке 4.
Фокусирующие магниты используют градиенты поля, чтобы сфокусировать луч до нужной формы и размера. Форма полюсов создает линейные градиенты поля в области луча:
На рис. 5 показан квадрупольный магнит из Национальной ускорительной лаборатории SLAC.
Другие дефекты луча (например, его нестабильность со временем), возникающие из-за недостатков магнита, несоосности или эффектов внутри луча, например, могут быть устранены с помощью многополюсных магнитов более высокого порядка, дополняющих диполи и квадруполи, обычно используемые для управления и фокусировки. Эти типы магнитов могут быть постоянными, но они также могут быть импульсными или программируемыми.
Ударные магниты быстро пульсируют, перенаправляя луч на новую траекторию. Очень важной конструктивной характеристикой магнита-кикера является скорость его включения и выключения — ведь луч на 27-километровой окружности LHC совершает оборот около 11 000 раз в секунду!
Пучки заряженных частиц можно моделировать в Opera и отслеживать через сложные поля, создаваемые этими магнитами. На рис. 6 показано, как заряженные частицы отслеживаются через специальный диполь, называемый сепаратором фрагментов, который используется для идентификации короткоживущих радиоактивных изотопов.
Из-за все более сильных магнитных полей, необходимых для развития этой науки, часто используются сверхпроводящие магниты, которые используют поведение сверхпроводников при очень низких температурах (около 4 К) для проведения чрезвычайно высоких электрических токов с нулевым сопротивлением. Сверхпроводящие дипольные катушки, смоделированные в SIMULIA Opera, показаны на рисунке 7.
Ускорители частиц постоянно раздвигают границы науки и медицины. Единственный способ с уверенностью спроектировать и построить эти устройства — это использовать моделирование для прогнозирования их характеристик как во время нормальной эксплуатации, так и во время потенциальных эксплуатационных сбоев, таких как гашение магнита, когда сверхпроводящий магнит начинает нагреваться выше своей рабочей температуры и резко возвращается в нормальное проводящее состояние. SIMULIA Opera — это жизненно важный инструмент, позволяющий инженерам быть уверенными в том, что их проекты будут работать должным образом.
#simulia #магниты #наука #наука и техника #3д моделирование #наука и образование #SIMULIA OPERA