เครื่องเร่งอนุภาคประจุเป็นเครื่องจักรที่ซับซ้อนซึ่งใช้อนุภาคประจุพื้นฐานและเร่งให้มีพลังงานสูงมากฟิสิกส์เครื่องเร่งอนุภาคเป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่ครอบคลุมทุกแง่มุมที่จำเป็นในการออกแบบและใช้งานอุปกรณ์ และเพื่อทำความเข้าใจพลวัตที่เกิดขึ้นของอนุภาคประจุ มีแพ็กเกจซอฟต์แวร์ที่เกี่ยวข้องกับแต่ละโดเมน เอกสารสรุปของกลุ่มรหัสเครื่องเร่งอนุภาค Los Alamos ฉบับปี 1990 ^{[ 1 ]}ให้บทสรุปของรหัสมากกว่า 200 รหัส รหัสบางส่วนยังคงใช้งานอยู่ในปัจจุบัน แม้ว่าหลายรหัสจะล้าสมัยแล้วก็ตาม ดัชนีอีกอันหนึ่งของรหัสจำลองเครื่องเร่งอนุภาคที่มีอยู่และในอดีตอยู่ที่ เว็บไซต์ CERN CARE/HHH ^{[ 2 ]}

สำหรับการใช้งานหลายอย่าง การติดตามอนุภาคเดี่ยวผ่านสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่เกี่ยวข้องก็เพียงพอแล้ว รหัสเก่าที่ผู้เขียนดั้งเดิมหรือสถาบันต้นสังกัดไม่ได้ดูแลรักษาอีกต่อไป ได้แก่ BETA, ^{[ 3 ]} AGS, ALIGN, COMFORT, DESIGN, DIMAD, HARMON, LEGO, LIAR, MAGIC, MARYLIE, PATRICIA, PETROS, RACETRACK, SYNCH, ^{[ 4 ]} TRANSPORT, TURTLE และ UAL รหัสเก่าบางส่วนได้รับการดูแลรักษาโดยองค์กรเชิงพาณิชย์สำหรับสิ่งอำนวยความสะดวกด้านเครื่องเร่งอนุภาคทางวิชาการ อุตสาหกรรม และการแพทย์ที่ยังคงใช้รหัสเหล่านั้นอยู่ TRACE 3-D และ TURTLE เป็นหนึ่งในรหัสเก่าแก่ที่ได้รับการดูแลรักษาในเชิงพาณิชย์^{[ 5 ]}

รหัสหลักที่ได้รับการดูแลรักษา ได้แก่:

ปฏิสัมพันธ์ภายในตัวเอง (เช่น ประจุอวกาศ) ของลำแสงอนุภาคที่มีประจุสามารถทำให้ลำแสงขยายตัว เช่น การยืดตัวของกลุ่มอนุภาค หรือการกระเจิงภายในลำแสง นอกจากนี้ ผลกระทบจากประจุอวกาศอาจทำให้เกิดความไม่เสถียรและการสูญเสียลำแสงที่เกี่ยวข้อง โดยทั่วไป ที่พลังงานค่อนข้างต่ำ (ประมาณพลังงานที่ค่าสัมประสิทธิ์แกมมาเชิงสัมพัทธภาพน้อยกว่า 10 หรือประมาณนั้น) สมการปัวซงจะถูกแก้เป็นระยะๆ ในระหว่างการติดตามโดยใช้ อัลกอริธึม แบบอนุภาคในเซลล์ผลกระทบจากประจุอวกาศจะลดลงที่พลังงานสูงขึ้น ดังนั้นที่พลังงานสูงขึ้น ผลกระทบจากประจุอวกาศอาจถูกจำลองโดยใช้อัลกอริธึมที่ง่ายกว่า ซึ่งคำนวณได้เร็วกว่าอัลกอริธึมที่ใช้ที่พลังงานต่ำกว่ามาก โค้ดที่จัดการกับผลกระทบจากประจุอวกาศที่พลังงานต่ำ ได้แก่:

• อัสตรา^{[ 8 ]}
• บีแมด
• CST Studio Suite ^{[ 30 ]}
• GPT ^{[ 31 ]}
• ผลกระทบ^{[ 32 ]}
• ImpactX ^{[ 33 ]}
• mbtrack ^{[ 34 ]}
• ORBIT, ^{[ 35 ]} PyORBIT ^{[ 36 ]}
• โอปอล^{[ 37 ]}
• PyHEADTAIL ^{[ 38 ]}
• Synergia ^{[ 39 ]}
• TraceWin ^{[ 40 ]}
• ทรานฟ์^{[ 41 ]}
• VSim ^{[ 42 ]}
• วาร์ป^{[ 43 ]}
• Xsuite ^{[ 27 ]}

ที่ระดับพลังงานสูงขึ้น ผลกระทบจากประจุในอวกาศ ได้แก่ปรากฏการณ์ทูเช็ก (Touschek effect)และการแผ่รังสีซินโครตรอนแบบสอดคล้องกัน (Coherent Synchrotron Radiation: CSR) โค้ดที่รองรับการจัดการประจุในอวกาศที่ระดับพลังงานสูง ได้แก่:

• บีแมด
• สง่างาม
• อิมแพ็คเอ็กซ์
• แมรี่ลี
• เศร้า

เมื่อลำแสงสองลำชนกัน สนามแม่เหล็กไฟฟ้าของลำแสงหนึ่งจะส่งผลกระทบอย่างมากต่ออีกลำแสงหนึ่ง เรียกว่า ผลกระทบระหว่างลำแสง (beam-beam effects) การจำลองแบบ "อ่อน-แรง" (weak-strong) จะจำลองลำแสงหนึ่ง (เรียกว่าลำแสง "แรง" เนื่องจากส่งผลกระทบต่ออีกลำแสงหนึ่ง) เป็นการกระจายตัวแบบคงที่ (โดยทั่วไปคือการกระจายแบบเกาส์เซียน) ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคของลำแสง "อ่อน" อีกอันหนึ่ง วิธีนี้ช่วยลดความซับซ้อนของการจำลองลงอย่างมาก การจำลองแบบ "แรง-แรง" (strong-strong) เต็มรูปแบบนั้นซับซ้อนกว่าและใช้เวลาในการจำลองนานกว่า โค้ดสำหรับการจำลองแบบแรง-แรง ได้แก่...

• หนูตะเภา^{[ 44 ]}
• BeamBeam3D ^{[ 45 ]}
• Xsuite ^{[ 27 ]}
• วาร์ปเอ็กซ์^{[ 46 ]}

ปรากฏการณ์รวมหมู่ที่สำคัญประเภทหนึ่งอาจสรุปได้ในแง่ของการตอบสนองของลำแสงต่อ " อิมพีแดนซ์ " ดังนั้นงานที่สำคัญอย่างหนึ่งคือการคำนวณอิมพีแดนซ์นี้สำหรับเครื่องจักร รหัสสำหรับการคำนวณนี้ได้แก่

• ABCI ^{[ 47 ]}
• ACE3P ^{[ 48 ]}
• CST Studio Suite ^{[ 49 ]}
• GdfidL ^{[ 50 ]}
• TBCI ^{[ 51 ]}
• VSim ^{[ 42 ]}

ในการควบคุมลำแสงอนุภาคประจุ จำเป็นต้องสร้างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่เหมาะสม มีซอฟต์แวร์หลายแพ็กเกจที่ช่วยในการออกแบบและทำความเข้าใจเกี่ยวกับแม่เหล็ก โพรง RF และองค์ประกอบอื่นๆ ที่สร้างสนามเหล่านี้ โค้ดต่างๆ ได้แก่

• ACE3P ^{[ 48 ]}
• COMSOL Multiphysics ^{[ 52 ]}
• CST Studio Suite ^{[ 53 ]}
• โอเปร่า^{[ 54 ]}
• VSim ^{[ 42 ]}

เนื่องจากงานสร้างแบบจำลองมีความหลากหลาย จึงไม่มีรูปแบบข้อมูลทั่วไปรูปแบบใดที่พัฒนาขึ้นมา สำหรับการอธิบายเค้าโครงของตัวเร่งความเร็วและองค์ประกอบที่เกี่ยวข้อง จะใช้สิ่งที่เรียกว่า "ไฟล์แลตติส" มีความพยายามมากมายในการรวมรูปแบบไฟล์แลตติสที่ใช้ในโค้ดต่างๆ ความพยายามในการรวมรูปแบบหนึ่งคือ Accelerator Markup Language และ Universal Accelerator Parser ^{[ 55 ]} ความพยายามอีกประการหนึ่งในแนวทางที่เป็นหนึ่งเดียวสำหรับโค้ดตัวเร่งความเร็วคือ UAL หรือ Universal Accelerator Library ^{[ 56 ]}ณ ปี 2023 ไม่มีรูปแบบใดได้รับการดูแลรักษาอีกต่อไป

รูปแบบไฟล์ที่ใช้ใน MAD อาจเป็นรูปแบบที่พบได้ทั่วไป โดยมีรูทีนการแปลงเพื่อแปลงเป็นรูปแบบอินพุตที่จำเป็นสำหรับโค้ดอื่น โค้ด Elegant มีรูปแบบข้อมูลที่เรียกว่า SDDS พร้อมชุดเครื่องมือที่เกี่ยวข้อง หากใช้ โค้ดที่เขียนด้วย Matlabเช่น Accelerator Toolbox ก็จะสามารถใช้เครื่องมือทั้งหมดใน Matlab ได้

สำหรับการแลกเปลี่ยนตำแหน่งอนุภาคและสนามแม่เหล็กไฟฟ้า มาตรฐาน OpenPMD ^{[ 57 ]} กำหนดรูปแบบที่สามารถนำไปใช้กับรูปแบบไฟล์เช่นHDF5ได้

เครื่องเร่งอนุภาคมีแอปพลิเคชันมากมาย ตัวอย่างเช่น แอปพลิเคชันที่สำคัญสองอย่างคือฟิสิกส์อนุภาค พื้นฐาน และ การผลิต รังสีซินโครตรอน เมื่อทำการสร้างแบบจำลองสำหรับการทำงานของเครื่องเร่งอนุภาคใดๆ ผลลัพธ์ของการจำลองพลศาสตร์ลำแสงอนุภาคประจุต้องถูกป้อนเข้าสู่แอปพลิเคชันที่เกี่ยวข้อง ดังนั้น สำหรับการจำลองแบบเต็มรูปแบบ จำเป็นต้องรวมโค้ดไว้ในแอปพลิเคชันที่เกี่ยวข้อง สำหรับฟิสิกส์อนุภาค การจำลองอาจดำเนินการต่อในเครื่องตรวจ จับด้วยโค้ดเช่นGeant4

ตัวอย่างเช่น สำหรับสิ่งอำนวยความสะดวกการแผ่รังสีซินโครตรอน ลำแสงอิเล็กตรอนจะสร้างลำแสงเอ็กซ์เรย์ จากนั้นจะเดินทางลงไปตามลำแสงก่อนที่จะถึงการทดลอง ดังนั้นซอฟต์แวร์จำลองลำแสงอิเล็กตรอนจะต้องเชื่อมต่อกับ ซอฟต์แวร์จำลอง เลนส์เอ็กซ์เรย์ เช่น SRW ^{[ 58 ]} Shadow ^{[ 59 ]} McXTrace ^{[ 60 ]}หรือ Spectra ^{[ 61 ]} Bmad ^{[ 10 ]}สามารถจำลองได้ทั้งลำแสงเอ็กซ์เรย์และลำแสงอนุภาคประจุ เอ็กซ์เรย์ถูกใช้ในการทดลองซึ่งอาจถูกจำลองและวิเคราะห์ด้วยซอฟต์แวร์ต่างๆ เช่น แพลตฟอร์มวิทยาศาสตร์ DAWN ^{[ 62 ]} OCELOT ^{[ 63 ]}ยังรวมถึงการคำนวณการแผ่รังสีซินโครตรอนและแบบจำลองการแพร่กระจายของเอ็กซ์เรย์ด้วย

เครื่องเร่งอนุภาคอุตสาหกรรมและการแพทย์ถือเป็นอีกหนึ่งพื้นที่ของการใช้งานที่สำคัญ การสำรวจในปี 2013 ประมาณการว่ามีเครื่องเร่งอนุภาคอุตสาหกรรมประมาณ 27,000 เครื่อง และเครื่องเร่งอนุภาคทางการแพทย์อีก 14,000 เครื่องทั่วโลก^{[ 64 ]}และจำนวนดังกล่าวก็เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องนับตั้งแต่นั้นมา^{[ 65 ]} รหัสที่ใช้ในสถานประกอบการเหล่านั้นมีความแตกต่างกันอย่างมาก และมักจะประกอบด้วยรหัสแบบดั้งเดิมและรหัสที่กำหนดเองซึ่งพัฒนาขึ้นสำหรับการใช้งานเฉพาะ รหัสวงโคจรขั้นสูง (AOC) ^{[ 66 ]}ที่พัฒนาขึ้นที่Ion Beam Applicationsเป็นตัวอย่างหนึ่ง

• รายชื่อโค้ดจากห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ลำแสงอนุภาค UCLA ที่เก็บถาวรเมื่อวันที่ 17 กรกฎาคม 2018 ที่Wayback Machine
• การเปรียบเทียบรหัสเร่งความเร็ว