GPT-BEM - 粒子光学仿真软件

多年来，General Particle Tracer (GPT) 软件包已成为加速器和束线设计领域中广泛应用的仿真工具。GPT 基于全三维粒子追踪技术，为研究带电粒子在电磁场中的三维及非线性效应提供了坚实的基础。所有内置束线组件以及外部二维/三维场图均可任意放置和定向，以模拟复杂装置并研究其对准误差的影响。

GPT 采用嵌入式五阶龙格-库塔算法，并配有自适应步长控制，在确保计算精度的同时将计算时间控制在较短。软件提供了多种二维和三维空间电荷模型，其中包括一种先进的三维点阵-网格方法，其计算时间与粒子数成 O(N) 的线性关系。得益于其现代化的软件架构，用户可以方便地对 GPT 进行扩展，以执行针对特定应用的高度标准化计算。软件的分层数据分析、自动参数扫描、内置优化功能以及图形输出能力，使得仿真结果能够得到快速且详尽的分析解读。

GPT 3.5 版本亮点

新发布的 GPT 3.5 版本包含多项性能改进及以下新功能：

• 自旋追踪（相对论情形）。
• 支持内存映射的三维场图。
• 支持三维场图中的非均匀网格线分布。
• 发布 MacOSX 版本，提供兼容 Intel 和 Apple Silicon (M1) 处理器的二进制文件。
• 相干同步辐射模块现为标准配置（此前为单独产品）。
• 简化三维坐标变换的表示法。
• 当存在导数信息时，提高了一维场图的计算精度。

说明：内存映射技术可确保场图在多个 GPT 进程间共享。在进行多核优化或同一场图在单个 GPT 仿真中被多次调用时，该技术能有效减少内存压力。

GPT-BEM（边界元方法）

自 GPT 3.3 版本起，软件提供了一个独立扩展包，用于计算全三维静电场和静磁场，其精度是常规有限元代码无法达到的。这种精度对于设计新一代电子显微镜及相关应用格外重要。鉴于其高度要求性，BEM 求解器作为独立产品提供。

• 分层边界元方法求解器
• 支持数百万个表面三角形
• 可达高于 10⁻⁶ 的相对精度
• 支持静电场与静磁场计算
• 高达五阶的像差分析功能
• 高达七阶的多极场分量输出

GPT 是否适合您？

尽管 GPT 的功能和图形用户界面极大简化了加速器与束线设计的任务，但该软件并不适合初学者。其学习曲线较为陡峭，这是因为无论使用何种工具，运用粒子追踪代码本身就需要具备对应技能。

• GPT 绘图功能
• 场导入
• 收集器设计
• 求根与求解
• GPTwin
• 用户界面

产品版本对比

GPT 不是一个黑箱式仿真软件包：其所有的内部计算过程和所有三维电磁场配置均有完整文档说明。此外，所有内置元素的源代码都是开放的，方便用户为自定义束线组件开发模型。

GPT 版本： 所有新 GPT 版本均运行于 Microsoft-Windows、Linux 和 Mac OS X。然而，Linux 和 Mac 版本不包含图形化的“GPTwin”用户界面，因此无法产生图形输出。GPT 3.1 版本的主要特点是采用了不同的追踪引擎，输出速度更快且更准确。我们的多目标基因优化器起初在 GPT 3.2 版本中引入，3.3 版本的主要新增内容是 wakefield 和 CSR 功能。GPT 3.5 版本包含自旋追踪和性能增强，如内存映射的三维场映射。

关于不同 GPT 版本的更详细信息，请参见下表：

GPT 版本	2.8	3.0	3.1	3.2	3.3	3.4	3.5
GPT 核心技术	√	√	√	√	√	√	√
- 运动求解器的三维相对论方程			√	√	√	√	√
- 快速且准确的时间/位置输出					√	√	√
- 韦克菲尔兹与 CSR					√	√	√
- FEL 相互作用	1D	1D			√	√	√
- 旋转跟踪							√
GPT-BEM（边界元素法）1）
- 带 STEP 导入的绘图组件	N/A				√	√	√
- 静电场求解器	N/A				√	√	√
- 磁静场求解器	N/A					√	√
- 三维像差分析阶数	N/A				第三	第五	第五
- 多极输出	N/A					轴向	3D
太空冲锋
- 多栅点粒子单元	√	√	√	√	√	√	√
- 粒度/随机效应		√	√	√	√	√	√
光束线建模
- 所有光束线组件的三维定位	√	√	√	√	√	√	√
- 1D/2D/3D 场图	√	√	√	√	√	√	√
- 内存映射场映射							3D
- 自定义元素	√	√	√	√	√	√	√
- 集电器设计与边界元素	√	√	√	√	√	√	√
前处理与后处理
- 多维参数扫描	√	√	√	√	√	√	√
- 分层数据分析	√	√	√	√	√	√	√
- 多目标遗传优化器				√	√	√	√

GPT 3.5 版本平台	MS-Windows	Mac OSX	Linux	MPI-簇
处理器	英特尔	英特尔与 M1/2	英特尔与 AVX2	英特尔与 AVX  2
“GPTwin”图形用户界面	√
多核跟踪、扫描与优化	√	√	√	√
MPI 跟踪、扫描与优化				openMPI3
GPT-BEM 的可用性	√	√	√	√

【英文介绍】

General Particle Tracer (GPT) is a widely used simulation tool for accelerator and beam line design. It employs full 3D particle tracking to study charged particle dynamics in electromagnetic fields, including nonlinear and 3D effects. Built-in components and external field maps can be arbitrarily placed and oriented, and an adaptive Runge-Kutta integrator ensures accurate and efficient computation. Space-charge models, including a fast O(N) 3D particle-mesh method, are available.

GPT-BEM is an extension (available since v3.3) that calculates electrostatic and magnetostatic fields in full 3D with a precision surpassing conventional Finite Element codes—essential for advanced electron microscopy applications. Key features:

Hierarchical Boundary Element Method (BEM) solver

Handles millions of surface triangles

Relative accuracy >10⁻⁶

Supports both electrostatic and magnetostatic fields

Aberration analysis up to 5th order

Multipole output up to 7th order

GPT v3.5 introduces spin tracking, memory-mapped 3D fieldmaps (reducing memory usage), native MacOSX (Intel/Apple Silicon) support, and more. GPT is not a black box: all internal calculations are documented, and source code for built-in elements is available for user extensions.