Simulation der Teilchendynamik
Simulation von Teilchen in elektromagnetischen Feldern
Vakuum-Elektronengeräte, Teilchenbeschleuniger und mehr
Das SIMULIA Simulationsportfolio umfasst eine breite Palette von Solvern, die die Simulation von Geräten ermöglichen, die die Interaktion von frei beweglichen Teilchen und elektromagnetischen Feldern nutzen. Dieser Teil des Portfolios stützt sich auf die bewährten Technologien von CST Studio Suite und Opera.
Die Dynamiksimulation von geladenen Teilchen ist für die Analyse und Optimierung verschiedener Geladene-Teilchen-Geräte von entscheidender Bedeutung. Der Simulationsprozess der Lebensdauer eines Teilchens kann mit dem Austritt der Teilchen und den Auswirkungen der beschleunigenden Elektrostatik sowie der Konzentration auf magnetostatische Felder beginnen, denen sie ausgesetzt sind. Darüber hinaus werden diese Geräte, die externe Felder erzeugen, sorgfältig mithilfe hochpräziser statischer Simulationen konstruiert. Bei sehr hohen Energien müssen auch die relativistischen Bewegungsgleichungen berücksichtigt werden.
Bei der Teilchensimulation können die von den Teilchen erzeugten Felder als Raumladung betrachtet werden, die die externen elektromagnetischen Felder überlagert. Durch die selbstelektromagnetischen Felder kann eine transiente Komponente entstehen, die auf die Teilchen wirkt. Ab diesem Punkt benötigen wir eine vollständig selbständige Simulation von Teilchen in Zellen.
Um höhere Teilchenenergien zu erreichen, wird der Teilchenstrahl HF-Feldern ausgesetzt. Ein Elektronenstrahl kann sich nun der Lichtgeschwindigkeit, der ultrarelativistischen Grenze nähern. Der Teilchenstrahl wird als Strom betrachtet, der elektromagnetische Felder erzeugt, Kielfelder, die auf sich selbst oder auf nachfolgende Strahlen reagieren können. Verschiedene Strahloptikgeräte lenken den Strahl.
CST Studio Suite und Opera verfügen über mehrere Tools für die Entwicklung von Geladene-Teilchen-Geräten. Neben den typischen statischen und Hochfrequenz-Solvern gibt es den Particle Tracking Solver, den elektrostatischen Particle-in-Cell (PIC) Solver (es-PIC), den standardmäßigen Particle-in-Cell (PIC) Solver sowie den Kielfeld-Solver. Diese werden zur Konstruktion von Strahlführungskomponenten aus Teilchenquellen über Magnete bis hin zu Hohlräumen und Absorbern verwendet.
Die Simulation der Partikeldynamik ist auch bei der Konstruktion von Vakuumelektronengeräten von entscheidender Bedeutung. Magnetrone, Gyrotrone, Klystrone und Wanderwellenverstärker gehören zu den Komponenten, die mit der CST Studio Suite entwickelt werden können. Ausfalleffekte wie Elektronenresonanz und Korona können simuliert werden. Bei der multiphysikalischen Simulation können zudem die thermischen und mechanischen Auswirkungen von Hochleistungs-Mikrowellen berücksichtigt werden.
Teilchendynamik-Anwendungen
- Teilchenbeschleuniger
- Teilchenquellen und Elektronenkanonen
- Vakuumelektronengeräte
- Plasma
- Elektronenresonanz und Korona
- Magnetron-Sputtern
Teilchenbeschleuniger
Beschleunigerkomponenten
Beschleunigerkomponenten wie Hohlräume oder Strahllagesensoren werden in der Regel mit Eigenmodus-, Transient- oder Frequenzbereichs-Solvern konstruiert. Für die Interaktion mit dem Strahl ist der Kielfeld-Solver jedoch ein extrem vielseitiges Werkzeug. Weitere Informationen zu CST Studio Suite Solvern finden Sie hier.
Im Folgenden finden Sie eine Beschreibung zum 9-Zellen-Hohlraum des TESLA-Beschleunigers. Ziel ist es, die Elektronenstrahlbeschleunigung während der gesamten Ausbreitung des Strahls entlang des Beschleunigers aufrechtzuerhalten. Hochfrequenzleistung (HF) wird erzeugt und an die TESLA-Hohlräume gekoppelt, um diese EM-Felder in den Hohlräumen zu erzeugen. Die Elektronen müssen beim Durchqueren der Hohlräume die richtige Phasenbeziehung zum Feld beibehalten, um die Beschleunigung aufrechtzuerhalten. Der Elektronenstrahl, ein starker Strom an sich, induziert Hochfrequenzfelder und regt die Modi, die sogenannten Kielfelder, an, während er durch die Hohlräume wandert. Diese Kielfelder könnten den Beschleunigungsprozess einschränken oder unterbrechen. Der Kielfeld-Solver berechnet diese Felder, sodass die Konstruktion der Beschleunigerkomponenten verbessert werden kann.
Strahloptik
Teilchenbeschleuniger verwenden Magnete und Elektroden zur Richtungsgebung, Verfeinerung und Steuerung des Teilchenstrahls. Zu den typischen Komponenten der Strahloptik gehören magnetische und elektrostatische Linsen zur Fokussierung des Strahls, Abweiser zur Biegung und Steuerung des Strahls, Kickermagnete zur Umleitung des Strahls sowie Kollimatoren und Kollektoren zur sicheren Erfassung der Teilchen.
Die SIMULIA Tools Opera und CST Studio Suite wurden zur erfolgreichen Entwicklung aller Arten von Magneten für Beschleuniger verwendet: Dauermagnete, DC- und AC-Dipole, Quadrupole und Magnete höherer Ordnung, Undulatoren und Spulen. Teilchenverfolgungs-Solver simulieren die Bewegung von Teilchen durch die simulierten Felder, mit oder ohne Auswirkungen auf die Raumladung.
Opera kann sowohl Niedrigtemperatur- als auch Hochtemperatur-Superleiter simulieren, einschließlich supraleitender Quench-Ereignisse, bei denen ein supraleitender Magnet schnell in den Normalzustand übergeht. Es ist möglich, mehrere Arten geladener Teilchen mit benutzerdefinierter Ladung und Masse einzubeziehen.
Simulation von Teilchenquelle und Elektronenkanone
Elektronenkanonen
Elektronenkanonen sind die Quellen von Teilchen in vielen industriellen, medizinischen und Forschungsanwendungen, von Röntgenröhren bis hin zu Wanderfeldröhrenverstärkern. Diese erfordern oft verfeinerte Strahlen mit begrenzter Streuung. Die Abstoßung der Raumladung zwischen den Elektronen bedeutet jedoch, dass der Strahl ohne sorgfältige Konstruktion der Elektroden tendenziell divergiert.
Solver zur Teilchenverfolgung in CST Studio Suite und Opera können die Bewegung von Elektronen durch das elektrische Feld in der Kanone modellieren. Modelle mit Raumladung simulieren die Abstoßung zwischen Elektronen und der resultierenden Strahldispersion. So können Ingenieure das Verhalten des Strahls präzise simulieren und einen zuverlässigen Strahl erzeugen. Eine umfassende multiphysikalische Simulation kann neben der Elektromagnetik auch thermische Belastung und Spannungen untersuchen.
Kohlenstoffnanoröhren-Emitter
Kohlenstoffnanoröhren-Emitter erzeugen durch den quantenmechanischen Feldeffekt, der weniger elektrische Leistung erfordert, Elektronen bei Raumtemperatur (Kaltkathode). Aufgrund ihrer Größe können sie in mobileren Geräten verwendet werden. Opera ermöglicht die Entwicklung dieser immer beliebter werdenden Elektronenquellen.
Vakuumelektronengeräte
Vakuumelektronengeräte wie Wanderfeldröhren (Traveling Wave Tubes; TWT) werden hauptsächlich aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Leistung für die Satellitenkommunikation eingesetzt. Im Frequenzbereich zwischen 1-60 GHz kann das verstärkte Signal beispielsweise eine Ausgangsleistung von bis zu 500 W mit einem Wirkungsgrad von über 50 % (für Space TWTs) erreichen.
Im Gegensatz zu den entsprechenden Solid-State-Geräten weisen sie höhere Effizienz, höhere Zuverlässigkeit, bessere Wärmeleistung und eine etwas bessere Linearität auf. Sie sind aber teurer in der Herstellung. Daher kommen TWTs zum Einsatz, wenn Zuverlässigkeit ein Muss ist, z. B. bei Hochstromanwendungen und Satelliten. Simulation ist in diesen Konstruktionsprozessen eine attraktive Option, da dadurch die Notwendigkeit kostspieliger Prototypen reduziert wird.
Eine TWT kann mit dem PIC-Solver konstruiert werden, um die Slow Wave Structure (SWS) zu charakterisieren, die dem Interaktionsbereich zwischen dem Elektronenstrahl und dem von der helikalen Struktur unterstützten HF-Signal entspricht.
Ein HF-Signal wird von einem Eingangskoppler eingeführt. Während der Ausbreitung der Elektronen entlang des SWS wird die kinetische Energie der Elektronen auf die Wanderwelle übertragen. Entlang der Röhre wird der Elektronenstrahl gebündelt und die Elektronen verlieren ihre kinetische Energie an die Wanderwelle. Die Wanderwelle wird dann mit der maximalen, im Leistungskoppler extrahierten Leistung verstärkt.
Plasmasimulation
Plasmaanwendungen
Plasmaanwendungen haben in der Regel große Zeitskalen und das Plasma kann durch die zugehörige Raumladungs-Interaktion zwischen Elektronen und Ionen beschrieben werden. Die Electrostatic Particle-In-Cell (ES-PIC)-Technologie berechnet die Raumladung im Verhältnis zur Zeit, wobei nur der elektrostatische Effekt berücksichtigt wird. Im Vergleich zu einem reinen PIC-Ansatz werden keine Strom- und H-Felder induziert, aber dieser Ansatz ist sehr gut für diese Plasmaanwendungen geeignet. Er ist auch für Plasmaanwendungen geeignet, bei denen das Phänomen durch die Dynamik der Raumladung und Kollisionen bei relativ niedrigem Druck beschrieben werden kann, wobei die Temperaturgradienten der Ionen und die Konvektionseffekte vernachlässigt werden, für die ein anderer numerischer Ansatz erforderlich wäre.
Energiequellen für Fusionsplasma
Bei fusionsorientierten Plasmen handelt es sich um sehr heiße Plasmen. Sie werden in Tokamak-Fusionsreaktoren erzeugt und stellen eine neue Energiequelle dar. Fusionsenergie ist eine der aktuell untersuchten nachhaltigen Energiequellen, um die Energieprobleme der Welt zu lösen. Die Energie der Zukunft muss aus sauberer, sicherer und kontrollierter Fusion stammen.
Der Hauptmodus beim Einsatz ist, dass das Plasma auf einen abgeschlossenen Raum beschränkt werden muss. Dazu dient das komplexe Magnetspulendesign des Tokamak-Fusionsreaktors. Außerdem muss das Plasma ausreichend heiß für die fortlaufende thermonukleare Reaktion sein. Dafür sorgen die Gyrotron-Geräte, die mit dem PIC-Solver vollständig konstruiert und simuliert werden können.
Gyrotrone sind Hochleistungs-Vakuumelektronengeräte, die Ausgangsleistungen im Bereich von Hunderten von kW mit Betriebsfrequenzen von bis zu mehreren Hunderten GHz erzeugen können. Gyrotrone eignen sich gut für die Plasmaerwärmung, da die erzeugte Mikrowellenfrequenz eine der Plasmafrequenzen anregen kann. Die Wellen übertragen ihre Energie an das Plasma, was zum Erhitzungsprozess führt.
Elektronenresonanz- und Koronasimulation
SIMULIA bietet spezielle HF-Durchschlagsanalysen wie Elektronenresonanz- und Korona-Effekte auf der Basis der Spark3D-Technologie. Diese Effekte treten in Hochenergie-Mikrowellenkomponenten auf und können empfindliche Geräte zerstören. Elektronenresonanz ist ein großes Problem bei der Satellitenkommunikation, bei der ein Komponentenausfall das gesamte System außer Betrieb setzen kann.
Hier können zwei Untersuchungen durchgeführt werden. Bei Arbeiten mit Atmosphärendruckwerten ist der Koronaeffekt dominant, während bei im Raum eingebetteten Komponenten (die also sehr nahe am Vakuum liegen) der Elektronenresonanzeffekt dominant ist. Die Elektronenresonanz wird durch die Materialeigenschaften und die so genannte sekundäre Emissionsausbeute bestimmt – die Wahrscheinlichkeit einer Elektronenkollision, die die Emission eines anderen Elektrons verursacht. Die Elektronenresonanz tritt auf, wenn die Leistung des HF-Geräts so stark ist, dass die Elektronen beschleunigt werden, was zu einer Multiplikation der sekundären Elektronenemission und somit zu einer Lawine von Elektronen führt.
Elektronenresonanz- und Koronaeffekt sind starke Randbedingungen, die in der Konstruktionsphase der HF-Komponenten und der Qualifizierungstests berücksichtigt werden müssen.
Magnetron-Sputtern-Simulation
Die Sputter-Beschichtung wird häufig für die Herstellung von dünnen Folien in einer Vielzahl von Bereichen verwendet. Zu den Anwendungen gehören dekorative und emissionsarme Glasbeschichtungen bis hin zu technischen Beschichtungen auf Produkten, die in den anspruchsvollsten Anwendungen von heute verwendet werden. Die Optimierung der Eigenschaften der aufgetragenen Schicht und die Nutzung des Sputter-Ziels sind entscheidend für die Leistung des Endprodukts und für die Wirtschaftlichkeit des Prozesses. SIMULIA Opera kombiniert genaue Finite-Elemente-Analyse mit detaillierten Modellen für Plasma, Kathodenzerstäubung und Schichtaufbringung und stellt so die ersten praktischen Werkzeuge für die Magnetronkonstruktion und -optimierung bereit.
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Häufig gestellte Fragen zur Dynamiksimulation von geladenen Teilchen
Ein Teilchen, das durch ein Magnetfeld geführt wird, wird der Lorentz-Kraft ausgesetzt. Die Lorentz-Kraft wirkt senkrecht zur Bewegungsrichtung des Teilchens. Sie ändert nicht die Geschwindigkeit oder Energie des Teilchens, führt jedoch als Zentripetalkraft zu einer kreisförmigen Bewegung.
Geladene Teilchen werden in der Regel in speziellen Teilchenquellen wie Elektronen- oder Ionenkanonen erzeugt. Häufig verwendete Kanonen arbeiten mit thermionischer Emission, um einen Teilchenstrahl zu erzeugen. Sie bestehen aus speziellen Materialien und emittieren bei ausreichender Erwärmung Elektronen, die in Richtung einer Anode beschleunigt werden. Bekannte Beispiele sind Kathodenstrahlröhren.
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