磁鐵在現代生活中應用無所不在，舉凡各類馬達、發電機、風力發電、鋼鐵鑄造廠、玩具和各種設備上，甚至對於粒子加速器在內的幾種特殊設備也是必不可少的元件；對於LHC（Large Hadron Collider，大型強子對撞機）的設計與相關實驗，從一開始就利用Opera設計粒子加速器的磁鐵與特殊磁鐵，在其後也都使用Opera進行優化以及後續的分析。 通過粒子加速器射出，接近於光速的粒子束可用於治療癌症患者、醫療診斷、醫學和器械消毒、製造放射性同位素，亦可用於製造晶片或處理生物汙染；粒子加速器還能用於蛋白質和分子研究，例如COVID-19等新型病毒，至於最強大的粒子加速器；例如歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機LHC（如圖1），則用於量子物理學的研究，由多國合作建造，旨在尋找宇宙的起源與基本組成，而知名的上帝粒子（Higgs boson），正是由CERN首先發表透過LHC上的實驗過後已經找到相當符合該理論的粒子。 圖1 LHC 隧道中的超導偶極磁鐵。攝於Maximilien Brice。 一般來說粒子加速器有幾種不同的形式；線性加速器（linear accelerators）或直線加速器（linacs），以及環形加速器（circular accelerators），這其中最常見的是迴旋加速器（cyclotrons）和同步加速器（synchrotrons），它們都使用射頻電磁波來加速帶電粒子，並使用各種磁鐵；永久（permanent）、電阻（resistive）和超導（superconducting）磁鐵來彎曲其行進方向和聚焦粒子束。 如果粒子束要保持聚焦在所需面積上，且能夠有效轟擊目標，則必須精確設計用於控制粒子束的磁鐵，SIMULIA Opera可以支援不同類型磁鐵的設計，使得這些磁鐵能夠在設備中發揮特定作用。圖２顯示了使用 SIMULIA Opera建模的四極磁體（Q magnet），其磁通量密度顯示在鋼片的磁極端上，並且還顯示在粒子束通過時的橫截面狀態。 圖2 使用 SIMULIA Opera 模擬的四極磁鐵。 雖然粒子加速器可以採用不同的形式，但基本上通常都有彎曲磁鐵（bending magnets）、聚焦磁鐵（focusing magnets）、校正器（correctors）和噴射器（kickers），；設計自然需要考慮包括所有可能的結果，例如通量密度（flux density）和均勻性（homogeneity），同時觀察諸如感應力（induced forces）、熱通量(heat fluxes)和保持那些材料可用，所需的操作參數等約束。 圖3 LCLS四極磁鐵，此圖出處於美國能源部SLAC 國家加速器實驗室。 由於這些科學儀器其造價非常高昂，且所需要的磁強度越來越大，不但需要經常使用超導磁體，甚至也需要利用超導體極低溫度（約4 K）下的行為，以零電阻傳導極大的電流，在SIMULIA Opera中，我們可以先利用模擬方式將這些設備先行設計並且優化，才進一步去建立實際的設備，以期在前期盡量的排除大多數設計者並未思考到的問題或誤差。 圖4 使用 SIMULIA Opera 通過專用偶極子追踪帶電粒子。 圖5 使用 SIMULIA Opera 建模的超導偶極磁體模型。 關鍵字：LHC、粒子加速器、SIMULIA Opera 達梭系統 - SIMULIA Blog