The OPAL Framework - The AMAS Group - Psi.ch

184 Pages·2013·3.38 MB·English

PSI-PR-08-02
The OPAL Framework
(Object Oriented Parallel Accelerator Library)
Version 1.1.91
User’s Reference Manual
AndreasAdelmann,AchimGsell,ChristofKraus(PSI)
YvesIneichen(IBM),
SteveRussell(LANL),
YuanjieBi,ChuanWang,JianjunYang(CIAE),
HaoZha(ThinghuaUniversity)
SuzanneSheehy,ChrisRogers(RAL)and
ChristopherMayes(Cornell)
Abstract
OPAL is a tool for charged-particle optics in accelerator structures and beam lines. Using the
MAD languagewithextensions, OPAL isderivedfrom MAD9P andisbasedontheCLASSICclass
library,whichwasstartedin1995byaninternationalcollaboration. IPPL(IndependentParallelPar-
ticleLayer)istheframeworkwhichprovidesparallelparticlesandfieldsusingdataparallelansatz.
OPAL is built from the ground up as a parallel application exemplifying the fact that HPC (High
PerformanceComputing)isthethirdlegofscience,complementingtheoryandtheexperiment. HPC
ismadepossiblenowthroughtheincreasinglysophisticatedmathematicalmodelsandevolvingcom-
puterpoweravailableonthedesktopandinsupercomputercentres. OPAL runsonyourlaptopas
wellasonthelargestHPCclustersavailabletoday.
The OPAL framework makes it easy to add new features in the form of new C++ classes. It
comesinthefollowingflavours:
OPAL-CYCLtracksparticleswith3Dspacechargeincludingneighbouringturnsincyclotronswith
timeastheindependentvariable.
OPAL-T is a superset of IMPACT-T [40] and can be used to model guns, injectors and complete
XFEL’sexcludingtheundulator.
ItshouldbenotedthatnotallfeaturesofOPALareavailableinallflavours. TheiconDOPAL-T
meansthatafeatureisnotyetavailableinOPAL-T. Similariconsareusedfortheotherflavours.
1ReleaseDate:February13,2013
2
Contents
1 Introduction 13
1.1 AimofOPALandHistory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 ParallelProcessingCapabilities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3 QualityManagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 FieldMapsfromtheFemaxx3DEigenmodeSolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5 Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.6 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.7 Citation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 Conventions 19
2.1 PhysicalUnits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 Tutorial 21
3.1 StartingOPAL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 RestartMode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3 AutophaseExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4 ExamplesofBeamLines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4.1 PSIXFEL250MeVInjector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4.2 PSIInjectorIICyclotron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4.3 PSIRingCyclotron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4 OPAL-T 31
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2 VariablesinOPAL-T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3 IntegrationoftheEquationofMotion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.4 EnvelopeTracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.5 SpaceCharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.6 WakeFields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.7 MultipleSpecies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5 OPAL-CYCL 35
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2 Trackingmodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2.1 SingleParticleTrackingmode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2.2 TuneCalculationmode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2.3 Multi-particletrackingmode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.3 VariablesinOPAL-CYCL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.3.1 Theinitialdistributioninthelocalreferenceframe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.4 FieldMaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.4.1 CARBONCYCLtype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3
4 CONTENTS
5.4.2 CYCIAEtype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.4.3 BANDRFtype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.4.4 DefaultPSIformat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.4.5 user’sownfieldmap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.5 RFfield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.5.1 ReadRFvoltageprofile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.5.2 Read3DRFfieldmap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.6 ParticleTrackingandAcceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.7 SpaceCharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.8 Multi-bunchesIssues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.9 Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.10 Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6 CommandFormat 45
6.1 StatementsandComments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.2 IdentifiersorLabels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.3 CommandAttributeTypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.4 StringAttributes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.5 LogicalExpressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.6 RealExpressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.7 Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.8 OperandsinExpressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.8.1 LiteralConstants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.8.2 Symbolicconstants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.8.3 Variablelabels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.8.4 Elementorcommandattributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.8.5 DeferredExpressionsandRandomValues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.8.6 TableReferences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.9 ElementSelection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.9.1 ElementSelection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.9.2 RangeSelection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.10 Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.11 VariableNames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.12 RegularExpressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.13 TokenList . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.14 Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.14.1 LogicalArrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.14.2 RealArrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.14.3 StringArrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
6.14.4 TokenListArrays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7 ControlStatements 61
7.1 GettingHelp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.1.1 HELPCommand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.1.2 SHOWCommand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.1.3 WHATCommand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
7.2 STOP/QUITStatement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
7.3 OPTIONStatement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
7.4 ParameterStatements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
7.4.1 VariableDefinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
7.4.2 SymbolicConstants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
CONTENTS 5
7.4.3 VectorValues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
7.4.4 AssignmenttoVariables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.4.5 VALUE:OutputofExpressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7.4.6 H5merge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.5 MiscellaneousCommands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.5.1 ECHOStatement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.5.2 SYSTEM:ExecuteSystemCommand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.5.3 SYSTEMCommandunderUNIX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.6 TITLEStatement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.7 FileHandling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.7.1 CALLStatement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.7.2 SAVEStatement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.7.3 MAKESEQStatement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.8 IF:ConditionalExecution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.9 WHILE:RepeatedExecution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.10 MACRO:MacroStatements(Subroutines) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
8 Elements 73
8.1 ElementInputFormat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
8.2 CommonAttributesforallElements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
8.3 DriftSpaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8.4 BendingMagnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
8.5 Quadrupole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.6 Sextupole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
8.7 Octupole. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
8.8 GeneralMultipole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
8.9 Solenoid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
8.10 Cyclotron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
8.11 RFCavities(OPAL-TandOPAL-CYCL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
8.11.1 OPAL-Tmode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
8.11.2 OPAL-CYCLmode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
8.12 TravelingWaveStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
8.13 Monitors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
8.14 Collimators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8.14.1 OPAL-Tmode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8.14.2 OPAL-CYCLmode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
8.15 Septum(OPAL-CYCL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
8.16 Probe(OPAL-CYCL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
8.17 Stripper(OPAL-CYCL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
9 BeamLines 97
9.1 SimpleBeamLines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
9.2 Sub-lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
10 PhysicsCommands 99
10.1 BEAMCommand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6 CONTENTS
11 DistributionCommand 101
11.1 CorrelationsforGaussianDistribution(Experimental) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
11.1.1 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
11.2 ThermalEmittance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
11.3 FlattopDistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
11.3.1 LegacyMode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
12 Fieldsolver 107
12.1 FieldsolverCommand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
12.2 DefinetheFieldsolvertobeused . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
12.3 DefineDomainDecomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
12.4 DefineNumberofGridpoints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
12.5 DefineBoundaryConditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
12.6 DefineGreensFunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
12.7 DefineBoundingBoxEnlargement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
12.8 DefineGeometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
12.9 DefineIterativeSolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
12.10DefineInterpolationforBoundaryPoints. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
12.11DefineTolerance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
12.12DefineMaximalIterations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
12.13DefinePreconditionerBehaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
12.14DefinethenumberofEnergyBinstouse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
13 Wakefields 111
13.1 WakefieldCommand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
13.2 DefinetheWakefieldtobeused . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
13.3 Definethewakefieldtype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
13.4 Definethenumberofbins. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
13.5 Definethebunchlengthtobeconstant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
13.6 Definetheconductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
13.7 Definetheimpedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
13.8 Definetheformofthebeampipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
13.9 Definetheradiusofthebeampipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
13.10Definetheσofthebeampipe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
13.11Definetherelaxationtime(τ)ofthebeampipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
13.12Importawakefieldfromafile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
13.13WakeFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
13.14Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
14 Geometry 117
14.1 GeometryCommand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
14.2 DefinetheGeometryFile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
14.3 DefinetheLength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
14.4 DefinetheStart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
14.5 DefinetheSemi-MajorAxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
14.6 DefinetheSemi-MinorAxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
15 Tracking 119
15.1 TrackMode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
15.1.1 TrackaRandomMachine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
CONTENTS 7
16 FieldEmission 123
16.1 FieldEmissionCommand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
17 Multipacting 125
17.1 CommandsRelatedtoMultipactingSimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
17.2 RunParallelPlateBenchmark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
17.3 PostProcessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
18 PhysicsModelsUsedintheParticleMatterInteractionModel 135
18.1 TheEnergyLoss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
18.2 TheCoulombScattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
18.2.1 MultipleCoulombScattering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
18.2.2 LargeAngleRutherfordScattering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
18.3 TheFlowDiagramofCollimatorPhysicsClassinOPAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
18.3.1 TheSubsteps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
18.4 ExampleofanInputFile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
18.5 ASimpleTest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
A Installation 143
A.1 BuildandinstallOPALonaMac&Linux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
A.1.1 SupportingLibraries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
A.1.2 EnvironmentVariables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
A.1.3 InstallingOPAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
A.2 CrayXE6Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
A.2.1 .bash profile.extFile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
A.2.2 .bashrc.extFile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
A.2.3 OPAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
A.3 Usingpre-buildBinaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
A.4 EnablingtheMultigridSpaceChargeSolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
A.5 DebugFlags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
A.6 OPALasaLibrary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
A.7 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
B OPALLanguageSyntax 153
C OPAL-TFieldMaps 163
C.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
C.2 TypesandFormat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
C.3 1DMagnetoStatic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
C.4 AstraMagnetostatic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
C.5 1DDynamic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
C.6 AstraDynamic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
C.7 1DProfile1&1DProfile2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
C.8 2DElectroStatic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
C.9 2DMagnetoStatic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
C.10 2DDynamic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
C.11 3DDynamic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
8 CONTENTS
List of Tables
2.1 PhysicalUnits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
6.1 StringOperatorinOPAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.2 StringFunctioninOPAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.3 LogicalOperatorsinOPAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.4 RealOperatorsinOPAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.5 RealFunctionsinOPAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.6 RealFunctionswithoneinOPAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.7 RealFunctionsofArraysinOPAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.8 PredefinedSymbolicConstants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.9 RealArrayFunctionsinOPAL(actingcomponent-wise) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.1 DefaultSettingsforOptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
11.1 Differentdistributionsspecifiedbyasingleparameterm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
11.2 ParametersfortheDISTRIBUTIONcommand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
11.3 Parametersofthedistributioncommand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
12.1 Fieldsolvercommandsummary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
12.2 Preconditionerbahaviourcommandsummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
13.1 Wakefieldcommandsummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
14.1 Geometrycommandsummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
15.1 CommandsacceptedinTrackingMode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
16.1 FieldEmissionCommandsummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
17.1 MultipactingRelatedCommandSummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
A.1 Debugflags. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
9
10 LISTOFTABLES