Applicazioni di dinamica delle particelle

Componenti di un acceleratore

I componenti di un acceleratore, quali cavità o monitor di posizione del fascio, vengono generalmente progettati con solutori eigenmode, di transienti o del dominio della frequenza. Tuttavia, quando si tratta dell'interazione con il fascio, il solutore Wakefield è uno strumento incredibilmente versatile (ulteriori informazioni sui solutori CST Studio Suite sono disponibili qui).

Prendiamo in considerazione la cavità a 9 celle dell'acceleratore TESLA mostrato qui. L'obiettivo è mantenere l'accelerazione del fascio di elettroni per tutto il tempo in cui il fascio si propaga lungo l'acceleratore. Energia RF viene generata e accoppiata alle cavità del TESLA per creare questi campi elettromagnetici nelle cavità. Gli elettroni che attraversano le cavità devono conservare la giusta relazione di fase con il campo per mantenere l'accelerazione. Il fascio di elettroni, una corrente di per sé molto intensa, induce tuttavia campi ad alta frequenza e modalità di eccitazione, i cosiddetti wakefield, mentre attraversa le cavità e tali campi potrebbero limitare o interrompere il processo di accelerazione. Il solutore Wakefield calcola questi campi e aiuta a migliorare la progettazione dei componenti dell'acceleratore.

I dispositivi elettronici a vuoto, come i tubi TWT, o a onda viaggiante, vengono utilizzati principalmente per la comunicazione satellitare sia per l'affidabilità che per le prestazioni. Ad esempio, nella gamma di frequenze 1-60 GHz, il segnale amplificato può raggiungere una potenza di uscita fino a 500 W con un'efficienza superiore al 50% (per i TWT spaziali).

A differenza delle controparti a stato solido, mostrano maggiore efficienza, maggiore affidabilità, migliori prestazioni termiche e una linearità leggermente migliore. Tuttavia, la loro costruzione è più costosa. Per questo motivo, i tubi TWT vengono utilizzati quando l'affidabilità è un requisito indispensabile, ad esempio per potenze elevate e sui satelliti. Nel processo di progettazione di questi dispositivi, la simulazione esercita una forte attrazione perché riduce la necessità di realizzare una serie di costosi prototipi.

L'intera progettazione di un tubo TWT può essere eseguita utilizzando il solutore PIC per caratterizzare la struttura a onde lente (SWS), che corrisponde all'area in cui interagiscono il fascio di elettroni e il segnale RF sostenuta dalla struttura elicoidale.

Un segnale RF viene introdotto da un accoppiatore di ingresso. Durante la propagazione degli elettroni lungo la SWS, l'energia cinetica degli elettroni viene trasferita all'onda viaggiante. Lungo il tubo, il fascio di elettroni inizia a raggrupparsi e gli elettroni perdono la loro energia cinetica, che viene trasferita tutta all'onda viaggiante. L'onda viaggiante viene quindi amplificata con una potenza massima estratta nell'accoppiatore di uscita.

Le applicazioni del plasma hanno generalmente ampie scale temporali e il plasma può essere descritto dall'interazione della carica spaziale tra gli elettroni e gli ioni. La tecnologia Electrostatic Particle-in-Cell (ES-PIC) calcola la carica spaziale in funzione del tempo, tenendo conto solo dell'effetto elettrostatico. Ciò significa che, rispetto a un approccio PIC puro, non ci sono correnti e campi H indotti e ES-PIC è particolarmente adatto per queste applicazioni del plasma. È ugualmente valido per applicazioni del plasma in cui il fenomeno può essere descritto dalla dinamica della carica spaziale e da collisioni a una pressione relativamente bassa, trascurando i gradienti di temperatura degli ioni e gli effetti di convezione che richiedono un altro approccio numerico.

Fonti di energia per il plasma di fusione

I plasmi di fusione sono plasmi estremamente caldi. Vengono creati in tokamak e forniscono una nuova fonte di produzione di energia. Si tratta di una delle fonti di energia sostenibile attualmente allo studio per rispondere al problema energetico che il mondo sta affrontando. L'energia del futuro deve essere prodotta da una fusione pulita, sicura e controllata.

Il principio di funzionamento fondamentale prevede che il plasma venga confinato. Questo è il ruolo della progettazione altamente complessa delle bobine magnetiche che circondano il tokamak. Successivamente, il plasma deve essere riscaldato ad una temperatura sufficiente a mantenere le reazioni termonucleari. Questo è il ruolo dei girotroni, che possono essere completamente progettati e simulati con il solutore PIC.

I girotroni sono dispositivi elettronici a vuoto ad alta potenza in grado di generare energia nell'ordine di centinaia di kW con frequenze operative fino a diverse centinaia di GHz. I girotroni sono particolarmente adatti per il processo di riscaldamento del plasma perché la frequenza delle microonde generate può eccitare una sola delle frequenze del plasma. Le onde trasferiscono la propria energia al plasma causandone il riscaldamento.