2D finite element analysis simulation framework in OPERA2D

Abstract

Diese Masterarbeit befasst sich mit der präzisen Modellierung zweidimensionaler Magnetfelder für die Strahlführungslinien in der North Area (NA) am CERN. Genau berechnete Magnetfeldkarten sind essenziell für verlässliche Strahlsimulationen. Dennoch fehlen für vi ele Magnete in der NA entweder präzise Feldkarten oder die vorhandenen Karten weisen unzureichende Genauigkeit auf. Die Hauptursachen für diese Ungenauigkeiten liegen in Unsicherheiten bezüglich der Materialeigenschaften der Magnetjoche sowie in inkonsiste nten Simulationsmethoden. Diese Faktoren können erhebliche Fehler in der Strahloptik verursachen und somit die Qualität experimenteller Ergebnisse beeinträchtigen.Um dieses Problem zu lösen, wurde ein simulationsbasiertes Framework entwickelt, das eine validierte und reproduzierbare Grundlage für die Erstellung präziser Magnetfeldkarten für C und H-förmige Dipole sowie Quadrupole bietet. Das Framework verfügt über eine benutzerfreundliche Oberfläche, die es ermöglicht, Feldkarten ohne Programmierkenntnisse zu erstellen, wodurch schnelle und effiziente Simulationen ermöglicht werden. Dies standardisiert nicht nur den Prozess der Feldkartenerstellung, sondern gewährle istet auch eine einheitliche Modellierung über verschiedene Magnettypen hinweg.Um Unsicherheiten im Bezug auf die Jochmaterialien zu minimieren und die Genauigkeit der Simulationen weiter zu verbessern, wurden zwei umfassende Materialstudien durchgeführt. Die erste Studie untersuchte das Magnetfeld innerhalb der Magnetapertur und identifizierte das am besten geeignete Material für jeden Magneten, ind em simulierte Feldwerte mit Messdaten verglichen wurden. Die zweite Studie weitete die Analyse auf die gesamte Magnetgeometrie aus und bewertete die Sensitivität der Simulationen gegenüber Variationen der Jochmaterialien. Diese detaillierte Untersuchung ermöglichte eine fundierte Bewertung der Modellgenauigkeit sowohl im linearen als auch im Sättigungsbereich, um präzisere Feldberechnungen über einen breiten Betriebsbereich hinweg zu gewähr leisten.Die Ergebnisse dieser Arbeit führten zur Entwicklung neuer, hochpräziser Magnetfeldkarten sowie zur signifikanten Verbesserung bestehender Modelle. Durch die Etablierung einer robusten Methodik zur Feldkartenerstellung trägt diese Arbeit dazu bei, die Gena uigkeit der Strahlsimulationen in der North Area zu verbessern. Dadurch wird letztlich die Optimierung experimenteller Aufbauten und die Qualität der wissenschaftlichen Daten am CERN unterstützt.

This master's thesis focuses on the precise modeling of two - dimensional magnetic fields for the beamlines in the North Area (NA) at CERN. Accurate magnetic field maps are crucial for reliable beam simulations; however, for many magnets in the NA, such maps are either unavailable or lack sufficient precision. The main sources of these inaccuracies stem from uncertainties in the material properties of the magnet yokes and inconsistencies in the applied simulation methodologies. These factors can introduce sig nificant errors in beam optics calculations, ultimately affecting the quality of experimental results.To address this issue, a simulation- based framework was developed, providing a validated and reproducible approach for generating accurate magnetic field maps for C -shaped and Hshaped dipoles as well as quadrupoles. The framework features a user -friendly interface that enables researchers to generate field maps without requiring programming expertise, allowing for fast and efficient simulations. This approach not only standardizes the field -mapping process but also ensures consistency across different magn et types.To further improve the accuracy of the simulations, two extensive material studies were conducted to minimize uncertainties related to the yoke materials. The first study focused on analyzing the magnetic field behavior within the magnet aperture, identify ing the most suitable material for each magnet by comparing simulated field values with measured data. The second study expanded the scope to the entire magnet geometry, assessing the sensitivity of the simulations to variations in yoke materials. This com prehensive analysis allowed for a detailed evaluation of the model's reliability both in the linear and saturation regions, ensuring more precise field calculations across a wide range of operating conditions.The results of this work led to the development of new, high-precision magnetic field maps as well as significant improvements to existing ones. By establishing a robust methodology for field map generation, this thesis contributes to enhancing the accurac y of beam simulations in the North Area, ultimately supporting the optimization of experimental setups and data quality at CERN.