Physics-based deep neural networks for beam dynamics in charged particle accelerators

物理 梁(结构) 粒子加速器 加速器物理学 粒子束 计算物理学 大型强子对撞机
作者
Andrei Ivanov,Ilya Agapov
出处
期刊:Physical review accelerators and beams [American Physical Society]
卷期号:23 (7): 074601-
标识
DOI:10.1103/physrevaccelbeams.23.074601
摘要

This paper presents a novel approach for constructing neural networks which model charged particle beam dynamics. In our approach, the Taylor maps arising in the representation of dynamics are mapped onto the weights of a polynomial neural network. The resulting network approximates the dynamical system with perfect accuracy prior to training and provides a possibility to tune the network weights on additional experimental data. We propose a symplectic regularization approach for such polynomial neural networks that always restricts the trained model to Hamiltonian systems and significantly improves the training procedure. The proposed networks can be used for beam dynamics simulations or for fine-tuning of beam optics models with experimental data. The structure of the network allows for the modeling of large accelerators with a large number of magnets. We demonstrate our approach on the examples of the existing PETRA III and the planned PETRA IV storage rings at DESY.
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