Simulations of the Atomic Beam Transport in an Atomic Beam Source under the Influence of Spin-Selective Sextupole Magnets

Gaisser, Martin (2013). Simulations of the Atomic Beam Transport in an Atomic Beam Source under the Influence of Spin-Selective Sextupole Magnets. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Polarized internal gas targets are important tools in spin-physics experiments at par- ticle accelerators. For many experiments it is imperative to get the highest possible target density. Research in recent decades, however, led only to marginal increase of the intensity of atomic beam sources (ABS), which constitute the main factor in in- creasing the target density. The main problem, hindering further improvement, is the complexity of the processes in the ABS, which prevents a complete description of all ef- fects. A particularly big challenge is the description of the change in ﬂow regime from laminar to molecular during the formation of the atomic beam by the nozzle. Now, with ever increasing computer power, it becomes possible to simulate all the processes in a complete ABS and to use algorithms to optimize the device. The present thesis summarizes the important effects in polarized internal gas targets and describes the implementation of a new computer program, which was interfaced with an optimization algorithm. The program is based on OpenFOAM 1.7.1 and uses the Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) method to simulate the gas ﬂow. Besides a generic interface for magnetic ﬁelds which act on the magnetic moments of the atoms, many important effects like recombination and spin-exchange collisions are included in the program. Furthermore, a generic framework for optimization is implemented. It can be used to optimize very different problems with different optimization algo- rithms. Currently, Adaptive Simulated Annealing (ASA) is implemented together with the capability to handle the optimization of an ABS. All parts of the program were tested and results are provided. Although the execution time of a simulation run is still very long, the new program might become a valuable tool for simulating and op- timizing polarized internal gas targets. This will lead to better statistics in experiments and will enable certain new experiments.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Simulationen des Atomstrahltransports in einer Atomstrahlquelle unter dem Einfluss spinselektiver Sextupolmagnete	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Polarisierte interne Gastargets sind wichtige Instrumente in Spinphysik-Experimenten an Teilchenbeschleunigern. Viele Experimente benötigen zwingend eine höchstmög- liche Targetdichte. Die Forschung während der letzten Jahrzehnte brachte allerdings nur geringe Fortschritte bei der Erhöhung der Intensität von Atomstrahlquellen (ABS), die den größten Einﬂuss auf die Targetdichte haben. Das Hauptproblem, das weit- ere Verbesserungen verhindert, besteht in der Komplexität der Prozesse in der ABS, welche eine komplette Beschreibung aller Effekte verhindert. Eine besondere Heraus- forderung stellt der Übergang vom laminaren zum molekularen Flussbereich während der Erzeugung des Atomstrahls in der Düse dar. Mit stetig steigender Computerleis- tung wird es heutzutage möglich, alle Abläufe in einer kompletten ABS zu simulieren und einen Algorithmus zur Optimierung der Quelle zu verwenden. Die vorliegende Doktorarbeit fasst alle wichtigen Effekte in polarisierten internen Gas- targets zusammen und beschreibt die Implementierung eines neuen Computerpro- gramms, welches mit einem Optimierungsalgorithmus verbunden wurde. Das Pro- gramm baut auf OpenFOAM 1.7.1 auf und nutzt die Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) Methode um den Gasﬂuss zu simulieren. Neben einer generischen Schnitt- stelle für Magnetfelder, die auf die magnetischen Momente der Atome wirken, wurden viele weitere Effekte wie Rekombination und Spinaustausch-Stöße in das Programm miteingebaut. Desweiteren wurde ein generisches Rahmenwerk für die Optimierung entwickelt und implementiert, mit dessen Hilfe sehr verschiedene Probleme mit ver- schiedenen Algorithmen optimiert werden können. Zur Zeit ist Adaptive Simulated Annealing (ASA) zusammen mit der Fähigkeit zur Optimierung einer ABS implemen- tiert. Alle Programmteile wurden getestet und Ergebnisse werden präsentiert. Obwohl die Ausführung des Programms immer noch sehr viel Zeit in Anspruch nimmt, könnte das Programm ein wertvolles Werkzeug zur Simulation und Optimierung von inter- nen polarisierten Gastargets werden. Dies wird zu geringeren statistischen Fehlern in Experimenten führen und bestimmte neue Experimente erst ermöglichen.

German

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