Simulations of electron and ion tracking in Ionization Profile Monitors are an important
tool for specifying and designing new monitors. They are also essential for understanding the
effects related to the ionization process, guiding field non-uniformities and influence of
the beam fields which may lead to a distortion of measured beam profiles.
Most of these effects cannot be treated analytically and therefore several simulation codes
have been developed at different accelerator laboratories during the past years.
Those existing codes are often tuned to the specific needs of a laboratory, are not well documented
and lack a practical user interface.
This work presents a novel, generic simulation tool with focus on the ability to test, maintain and extend the code.
A complete documentation as well as facile usage were important aspects too. The application
combines the features of existing codes in order to provide a common standard for IPM
simulations. Because of its modular structure the application allows for exchanging the
computational modules depending on the use case as well as for straightforward
extensibility to new use cases. Future intended use cases are for example simulations of
Beam Induced Fluorescence monitors based on gas jets or Electron Wire Scanners.
The current set of algorithms includes several particle tracking methods (for instance Runge-Kutta 4th order
or the Boris algorithm) and several bunch field evaluation algorithms (analytical solutions for specific cases
as well as numerical Poisson solvers).
The application and all involved methods have been tested and benchmarked against
existing results. The code is well documented and includes a graphical user interface. It
is publicly available as a git repository and as a Python package.

Simulationen der Elektronen- und Ionenbewegungen in Ionisationsprofilmonitoren sind
ein wichtiges Werkzeug für die Ausarbeitung und den Entwurf neuer solcher Messgeräte.
Ebenso spielen sie eine wichtige Rolle für das Verständnis von Effekten,
die mit dem Ionisationvorgang, den Unregelmäßigkeiten externer elektromagnetischer Felder und dem Einfluss der Teilchenstrahlfelder zusammenhängen,
und welche eine Verzerrung der gemessenen Strahlprofile hervorrufen können.
Die meisten dieser Effekte können nicht analytisch behandelt werden und aus diesem Grund wurden in den vergangenen
Jahren einige Simulationscodes an verschiedenen Beschleunigerinstituten entwickelt. Oftmals sind diese
Codes an die speziellen Anforderungen des jeweiligen Instituts angepasst, sind unzureichend dokumentiert und
besitzen keine praktische Benutzeroberfläche.
Diese Arbeit präsentiert ein neues, generisches Simulations-Werkzeug, das unkompliziert getestet, gewartet und
erweitert werden kann.
Weitere wichtige Aspekte der Entwicklung waren eine umfassende Dokumentation und eine hohe Benutzerfreundlichkeit.
Um einen allgemeinen Standard für IPM-Simulationen bereitzustellen, vereint die Anwendung Merkmale bereits bestehender Simulationscodes.
Die Anwendung erlaubt aufgrund ihrer modularen Struktur ein Austauschen der Berechnungsmethoden, d.h. eine Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall,
und ist ebenso einfach um neue Methoden und Anwendungsfälle erweiterbar.
Zukünftige geplante Anwendungsfälle schließen z.B. Profilmonitore basierend auf der Lumineszenz von Gasstrahlen, sowie
sogenannte Electron Wire Scanners, ein. Die aktuelle Auswahl an Algorithmen schließt mehrere numerische Lösungsmethoden
für die Bewegungsgleichungen ein, wie z.B. das Runge-Kutta-Verfahren vierter Ordnung oder den Boris Algorithmus, sowie verschiedene
Berechnungsmethoden für die elektrischen Felder von Teilchenpaketen (sowohl analytische Verfahren für spezielle Konfigurationen als auch
numerische Poisson Methoden).
Die Anwendung und alle darin vorkommenden Berechnungsmethoden wurden getestet und mit bereits bestehenden Ergebnissen verglichen.
Der Code ist umfangreich dokumentiert und beinhaltet eine grafische Benutzeroberfläche. Der Code ist öffentlich zugänglich in Form eines
Git Repositorys sowie als Python Package.