Partikeldynamik-Anwendungen

Beschleunigerkomponenten

Beschleunigerkomponenten wie Hohlräume oder Strahllagesensoren werden in der Regel mit Eigenmodus-, Transient- oder Frequenzbereichs-Solvern konstruiert. Wenn es aber um die Interaktion mit dem Strahl geht, ist der Kielfeld-Solver ein unglaublich vielseitiges Tool (weitere Informationen zu Solvern in CST Studio Suite finden Sie hier).

Wir betrachten den hier dargestellten 9-Zellen-Hohlraum des TESLA-Beschleunigers. Ziel ist es, die Elektronenstrahlbeschleunigung während der gesamten Ausbreitung des Strahls entlang des Beschleunigers aufrechtzuerhalten. HF-Leistung 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 beim Durchqueren der Hohlräume jedoch Hochfrequenzfelder und Moduserregung, die sogenannten „Kielfelder“, was den Beschleunigungsprozess begrenzen oder unterbrechen könnte. Der Kielfeld-Solver berechnet diese Felder, sodass die Konstruktion der Beschleunigerkomponenten verbessert werden kann.

Vakuumelektronengeräte wie Travelling Wave Tubes (TWT) werden hauptsächlich aufgrund ihrer Zuverlässigkeit, aber auch aufgrund ihrer 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.

Ein TWT kann vollständig 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 allmählich gebündelt und die Elektronen verlieren ihre kinetische Energie, die global auf die Wanderwelle übertragen wird. Die Wanderwelle wird dann mit der maximalen, in der Ausgangskupplung extrahierten Leistung verstärkt.

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. Dies bedeutet, dass im Vergleich zu einem reinen PIC-Ansatz keine Strom- und H-Felder induziert werden, dieser Ansatz aber sehr gut für solche Plasmaanwendungen geeignet ist. Er ist auch für Plasmaanwendungen gültig, 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 Plasmen für die Fusion handelt es sich um sehr heiße Plasmen. Sie werden in Tokamak-Fusionsreaktoren geschaffen und stellen eine neue Energiequelle dar. Dies ist eine der aktuell untersuchten nachhaltigen Energien, um die Energieprobleme der Welt zu lösen. Die Energie der Zukunft muss aus sauberer, sicherer und kontrollierter Fusion stammen.

Das Hauptprinzip beim Einsatz ist, dass das Plasma in einem abgeschlossenen Raum aufbewahrt wird. Dazu dient das hoch komplexe Magnetspulendesign des Tokamak-Fusionsreaktors. Anschließend 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 von GHz erzeugen können. Gyrotrone eignen sich sehr 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.