CST PARTICLE STUDIO - моделирование поведения заряженных частиц в электромагнитных полях

CST PARTICLE STUDIO (CST PS) — изначальное название специализированного пакета для моделирования динамики заряженных частиц в 3D электромагнитных полях. Продукт включает три вычислителя: вычислитель трекинга заряженных частиц (TRK), Particle-In-Cell вычислитель (PIC) и вычислитель наведенных полей (WAK), и позволяет выполнить расчет трекинга заряженных частиц в этих полях с учетом влияния пространственного заряда, релятивистских эффектов и вторичной электронной эмиссии, получая в результате траектории заряженных частиц, распределение фазового объема, эмиттанс пучка и т.д.

В настоящий момент продукт полностью интегрирован в систему проектирования CST STUDIO SUITE и для автономного использования недоступен.

---

Вычислитель трекинга (TRK вычислитель) выполняет моделирование траектории заряженных частиц в электро-/магнитостатических полях или собственных модах, используя схему пошагового обновления импульса и координаты:

Изменение импульса:

Аналитическое выражение

Дискретизированное выражение

Изменение координаты:

Аналитическое выражение

Дискретизированное выражение

Учет влияния пространственного заряда пучка выполняется с использованием опции Gun Iteration.

TRK — вычислителем поддерживается несколько моделей эмиссии частиц:

— Фиксированная
— Ограниченная пространственным зарядом
— Тепловая
— Автоэлектронная
— также поддерживается вторичная электронная эмиссия.

К результатам моделирования TRK вычислителем относятся значения тока пучка, эмиттанса, первианса, а также данные о соударении частиц с элементами ускоряющего тракта. Дополнительную информацию (например, картину огибающей пучка) можно получить с использованием мощных инструментов постобработки.

Более сложным инструментом CST PS является Particle-In-Cell (PIC) вычислитель, предназначенный для моделирования самосогласованной задачи распространения электромагнитных полей и заряженных частиц во временной области с конечным временным шагом. При этом электромагнитные поля вычисляются в дискретных узлах по схеме с перешагиванием, тогда как частицы движутся в непрерывном фазовом пространстве. Доказано, что данная схема получения электромагнитных полей будет оставаться устойчивой, если временной шаг, необходимый для интегрирования, не превысит установленного предела. Величина максимального временного шага напрямую зависит от минимального шага сеточного разбиения, используемого для дискретизации модели; поэтому, чем плотнее сетка разбиения – тем меньше подходящий временной шаг. Но следует отметить, что данное условие устойчивости не применимо для схемы моделирования движения частиц.

Поскольку алгоритм Particle-In-Cell является самосогласованным, необходимо выполнять постоянную интерполяцию полей для описания движения частиц и интерполяцию токов для получения распределения поля. Обе интерполяционные схемы относятся к классу линейных.

Поддержка различных типов эмиссии заряженных частиц (например, DC эмиссия, последовательность гауссовских сгустков, полевая эмиссия и пользовательская) позволяет создавать практически любой источник. Моделирование динамики частиц может выполняться в электростатических, магнитостатических, собственных модах, бегущих волнах, а также в полях, заданных пользователем.

Единая среда проектирования CST STUDIO SUITE позволяет использовать инструменты EM моделирования, дополняющие возможности PIC вычислителя:

— Доступно использование волноводных портов для получения выходных сигналов

— Поддерживается моделирование дисперсных материалов, металлов с потерями и т.д.

— Поддерживаются мощные инструменты постобработки

Вычислитель наведенных полей (WAK вычислитель) предназначен для получения и дальнейшего анализа кильватерных полей, создаваемых сгустками заряженных частиц в камерах резонатора. Для этого структура возбуждается импульсом тока с продольным гауссовым распределением заряда, в результате чего наводятся электромагнитные поля, рассчитываемые во временной области.

Полученные результаты WAK вычислителя приводятся в виде значений наведенного потенциала, коэффициента потерь энергии и импеданса связи.

Единая среда проектирования CST STUDIO SUITE позволяет использовать инструменты EM моделирования, дополняющие возможности вычислителя наведенных полей:

— Доступно использование волноводных портов для получения выходных сигналов

— Для записи распределений электромагнитного поля применяются мониторы

— Также доступно моделирование дисперсных материалов с потерями для реализации потерь наведенных полей в стенках резонатора