Simulación de dinámica de partículas

Cañones de electrones

Los cañones de electrones son las fuentes de partículas en muchas aplicaciones industriales, médicas y de investigación, desde tubos de rayos X hasta amplificadores de tubos de ondas viajeras. A menudo requieren haces refinados con dispersión limitada. Sin embargo, la repulsión de la carga espacial entre los electrones hace que el haz tienda a desviarse si no se diseñan cuidadosamente los electrodos.

Los solvers de seguimiento de partículas de CST Studio Suite y Opera pueden modelar el movimiento de los electrones a través del campo eléctrico dentro del cañón. Los modelos de carga espacial simulan la repulsión entre electrones y la dispersión del haz resultante, lo que permite a los ingenieros simular con precisión el comportamiento del haz y producir un haz fiable. La simulación multifísica completa puede investigar la temperatura y la tensión, además del electromagnetismo.

Emisores tubulares de nanotubos de carbono

Los emisores tubulares de nanotubos de carbono producen electrones a temperatura ambiente (cátodo frío) por el efecto de campo mecánico cuántico, que requiere menos energía eléctrica. Por su tamaño, pueden utilizarse en dispositivos más portátiles. Opera permite el desarrollo de estas fuentes de electrones cada vez más populares.

Los dispositivos de electrones de vacío, como los tubos de onda progresivas (TWT), se utilizan principalmente para la comunicación por satélite debido a su fiabilidad y su rendimiento. Por ejemplo, en un rango de frecuencia de 1-60 GHz, la señal amplificada puede alcanzar una potencia de salida de hasta 500 W con una eficiencia superior al 50 % (para los TWT en el espacio).

A diferencia de sus equivalentes en estado sólido, muestran mayor eficiencia y fiabilidad, mejor rendimiento térmico y una linealidad ligeramente superior. Sin embargo, su construcción es más costosa. Por lo tanto, los TWT se utilizan cuando se requiere fiabilidad, como en el caso de los elementos de alta potencia y en los satélites. La simulación es atractiva en estos procesos de diseño, ya que reduce la necesidad de crear varios prototipos costosos.

El diseño de un TWT se puede realizar mediante el solver de PIC para caracterizar la estructura de ondas lentas (SWS) que se corresponde con la región de interacción entre el haz de electrones y la señal de RF sostenida por una estructura helicoidal.

Se introduce una señal de RF desde un acoplador de entrada. Durante la propagación de los electrones a lo largo de la SWS, la energía cinética de los electrones se transfiere a la onda progresiva. A lo largo del tubo, el haz de electrones se agrupa y los electrones pierden su energía cinética hacia la onda progresiva. A continuación, la onda progresiva se amplifica con una potencia máxima extraída al acoplador de salida.

SIMULIA ofrece análisis especiales de averías de radiofrecuencia, como los efectos multipactor y corona, basados en la tecnología Spark3D. Estos efectos se producen en componentes de microondas de alta potencia y pueden destruir dispositivos sensibles. El multipactor es una de las principales preocupaciones de las comunicaciones por satélite, donde el fallo de un componente puede dejar inoperativo todo el sistema.

Aquí se pueden llevar a cabo dos tipos de investigación. Cuando se trabaja a presiones atmosféricas, el efecto corona es dominante, mientras que para los componentes integrados en el espacio (es decir, muy cerca del vacío), el efecto multipactor es dominante. El multipactor se rige por las propiedades del material y el llamado rendimiento de emisión secundaria, es decir, la probabilidad de que una colisión de electrones provoque la emisión de otro electrón. El multipactor se produce cuando la potencia del dispositivo de radiofrecuencia es lo suficientemente fuerte como para que los electrones se aceleren, lo que provoca una multiplicación de la emisión de electrones secundarios, creando una avalancha de electrones.

Los efectos multipactor y corona son fuertes limitaciones que deben tenerse en cuenta durante la fase de diseño de los componentes de radiofrecuencia y las pruebas de cualificación.

El recubrimiento por pulverización catódica se utiliza ampliamente para la fabricación de películas finas en ámbitos muy diversos. Las aplicaciones incluyen desde revestimientos decorativos y de baja emisividad sobre vidrio hasta revestimientos de ingeniería sobre productos utilizados en las aplicaciones más exigentes de la actualidad. La optimización de las propiedades de la película depositada y la utilización del blanco de pulverización catódica son fundamentales para el rendimiento del producto final y para la economía del proceso. SIMULIA Opera combina análisis precisos de elementos finitos con modelos detallados para plasma, pulverización catódica y deposición de películas para proporcionar las primeras herramientas prácticas para el diseño y la optimización de magnetrones.