Simulazione della dinamica delle particelle
Simulazione di particelle nei campi elettromagnetici
Dispositivi elettronici a vuoto, acceleratori di particelle e molto altro
Il portfolio per la simulazione di SIMULIA comprende un'ampia gamma di solutori, consentendo la simulazione di dispositivi che operano utilizzando l'interazione di particelle mobili e campi elettromagnetici. Questa parte del portfolio si basa sulle tecnologie consolidate fornite da CST Studio Suite e Opera.
La simulazione della dinamica delle particelle cariche è essenziale per analizzare e ottimizzare vari dispositivi a particelle cariche. Il processo di simulazione della vita di una particella può iniziare con l'emissione delle particelle e gli effetti dei campi elettrostatici acceleranti e magnetostatici focalizzanti a cui sono esposte. Inoltre, questi dispositivi che creano campi esterni sono accuratamente progettati utilizzando simulazioni statiche estremamente accurate. In caso di energie molto elevate, è necessario prendere in considerazione anche le equazioni relativistiche del movimento.
La simulazione di particelle può considerare i campi generati dalle particelle come carica spaziale, che si sovrappone ai campi elettromagnetici esterni. I campi autoelettromagnetici possono introdurre un componente transitorio che agisce nuovamente sulle particelle. A questo punto, è necessaria una simulazione Particle-in-Cell (PIC) completamente autocoerente.
Per raggiungere energie di particelle più elevate, il fascio di particelle viene esposto ai campi RF. Un fascio di elettroni può ora avvicinarsi alla velocità della luce, il limite ultrarelativistico. Il fascio di particelle è considerato come una corrente che crea campi elettromagnetici, campi di attivazione che possono agire di nuovo su se stessi o sui fasci successivi. Vari dispositivi a fascio ottico guidano il fascio.
CST Studio Suite e Opera includono diversi strumenti per la progettazione di dispositivi a particelle cariche. Oltre ai tipici solutori statici e ad alta frequenza, sono presenti il solutore per il tracciamento delle particelle, l'Electrostatic Particle-in-Cell (Es-PIC), il solutore Particle-in-Cell (PIC) standard e il solutore Wakefield. Questi solutori sono utilizzati per progettare componenti di linee di fascio, dalle sorgenti di particelle a magneti, cavità e assorbitori.
La simulazione della dinamica delle particelle è cruciale anche nella progettazione di dispositivi elettronici a vuoto. Magnetroni, girotroni, klystron e amplificatori con tubo a onda viaggiante sono tra i componenti che è possibile progettare con CST Studio Suite. È possibile simulare effetti di breakdown come l'effetto multipaction e corona e, con la simulazione multifisica, è possibile tenere conto anche degli effetti termici e meccanici di microonde ad alta potenza.
Applicazioni delle dinamiche delle particelle
- Acceleratori di particelle
- Sorgenti di particelle e cannoni elettronici
- Dispositivi elettronici a vuoto
- Plasma
- Multipactor e Corona
- Polverizzazione catodica
Acceleratori di particelle
Componenti di un acceleratore
I componenti di un acceleratore, quali cavità o monitor di posizione del fascio, vengono generalmente progettati con solutori eigenmode, transienti o del dominio della frequenza. Tuttavia, per l'interazione con il fascio, il solutore Wakefield è uno strumento incredibilmente versatile. Per maggiori dettagli sui solutori di CST Studio Suite, consultare il sito web.
Qui viene mostrata la cavità a 9 celle dell'acceleratore TESLA. L'obiettivo è mantenere l'accelerazione del fascio di elettroni per tutto il tempo in cui il fascio si propaga lungo l'acceleratore. L'energia a radiofrequenza (RF) viene generata e accoppiata nelle cavità TESLA per creare questi campi EM 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, che è a sua volta una forte corrente, induce campi ad alta frequenza ed eccita le modalità (o campi di attivazione) durante il viaggio attraverso le cavità. Questi campi di attivazione potrebbero limitare o interrompere il processo di accelerazione. Il solutore Wakefield calcola questi campi e aiuta a migliorare la progettazione dei componenti dell'acceleratore.
Ottica del fascio
Gli acceleratori di particelle utilizzano magneti ed elettrodi per dirigere, rifinire e controllare il fascio di particelle. I componenti tipici dell'ottica del fascio includono lenti magnetiche ed elettrostatiche per focalizzare il fascio, deflettori per piegare e indirizzare il fascio, magneti di kicker per reindirizzare il fascio, collimatori e collettori per catturare in modo sicuro le particelle.
Gli strumenti Opera e CST Studio Suite di SIMULIA sono stati utilizzati per progettare con successo tutti i tipi di magneti per acceleratori: magneti permanenti, dipoli CC e CA, quadrupoli e magneti di ordine superiore, ondulatori e solenoidi. I solutori di tracciamento delle particelle simulano il movimento delle particelle attraverso i campi simulati, con o senza effetti di carica spaziale.
Opera è in grado di simulare superconduttori a bassa e alta temperatura, inclusi gli eventi di quench superconduttivo in cui un magnete superconduttore passa rapidamente allo stato normale. È possibile includere più specie di particelle cariche, ciascuna con carica e massa definite dall'utente.
Sorgente di particelle e simulazione del cannone elettronico
Cannoni elettronici
I cannoni elettronici sono le sorgenti di particelle in molte applicazioni industriali, mediche e di ricerca, dai tubi a raggi X agli amplificatori con tubo a onda progressiva. Questi richiedono spesso fasci perfezionati con dispersione limitata. Tuttavia, la repulsione della carica spaziale tra gli elettroni implica che il fascio tende a divergere senza un'attenta progettazione degli elettrodi.
I solutori di tracciamento delle particelle in CST Studio Suite e Opera possono modellare il movimento degli elettroni attraverso il campo elettrico all'interno del cannone. I modelli di carica spaziale simulano la repulsione tra gli elettroni e la dispersione del fascio risultante, consentendo agli ingegneri di simulare con precisione il comportamento del fascio e produrre un fascio affidabile. La simulazione multifisica completa può analizzare fattori termici e di sollecitazione oltre che elettromagnetici.
Emettitori in nanotubi di carbonio
Gli emettitori in nanotubi di carbonio producono elettroni a temperatura ambiente (catodo freddo) grazie all'effetto del campo meccanico quantico, che richiede una minore potenza elettrica. Grazie alle loro dimensioni, possono essere utilizzati in dispositivi più portatili. Opera consente lo sviluppo di queste sorgenti di elettroni sempre più diffuse.
Dispositivi elettronici a vuoto
I dispositivi elettronici a vuoto, come i tubi TWT (a onda progressiva), vengono utilizzati principalmente per la comunicazione satellitare grazie alla loro affidabilità e alle loro 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.
La 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 si raggruppa e gli elettroni perdono la loro energia cinetica a causa dell'onda viaggiante. L'onda viaggiante viene quindi amplificata con una potenza massima estratta nell'accoppiatore di uscita.
Simulazione del plasma
Applicazioni del plasma
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. Rispetto a un approccio PIC puro, non ci sono correnti e campi H indotti ma 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 estremamente caldi. Vengono creati in tokamak e forniscono una nuova fonte di produzione di energia. L'energia di fusione è una delle fonti di energia sostenibile attualmente allo studio per rispondere ai problemi energetici che il mondo sta affrontando. L'energia del futuro deve essere prodotta da una fusione pulita, sicura e controllata.
Nella modalità di funzionamento principale, il plasma deve essere confinato. Questo è il ruolo della progettazione complessa delle bobine magnetiche che circondano il tokamak. Successivamente, il plasma deve essere riscaldato a una temperatura sufficiente a mantenere le reazioni termonucleari. Questo è il ruolo dei dispositivi 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 energie di output 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.
Simulazione multipactor e corona
SIMULIA offre analisi speciali del breakdown RF, come gli effetti multipactor e corona basati sulla tecnologia Spark3D. Questi effetti si verificano in componenti a microonde ad alta potenza e possono distruggere i dispositivi sensibili. Il multipactor è un problema importante per le comunicazioni satellitari, in cui un guasto di un componente può rendere l'intero sistema non operativo.
In questo caso è possibile seguire due tipi di indagine. Quando si lavora a pressioni atmosferiche, l'effetto corona è dominante, mentre per i componenti incorporati nello spazio, cioè molto vicini al vuoto, l'effetto dominante è il multipactor. Il multipactor dipende dalle proprietà del materiale e dalla cosiddetta emissione secondaria, cioè la probabilità di una collisione con elettroni che provoca l'emissione di un altro elettrone. Il multipactor si verifica quando la potenza del dispositivo RF è sufficientemente forte da accelerare gli elettroni, causando una moltiplicazione dell'emissione secondaria di elettroni e creando una valanga di elettroni.
Gli effetti multipactor e corona rappresentano forti limitazioni che devono essere tenuti in considerazione durante la fase di progettazione di componenti RF e dei test di qualificazione.
Simulazione della polverizzazione catodica
Il rivestimento a polverizzazione è ampiamente utilizzato per la fabbricazione di pellicole sottili in una gamma di aree molto diversificata. Le applicazioni includono rivestimenti decorativi e a bassa emissività su vetro, fino ai rivestimenti ingegneristici su prodotti utilizzati nelle applicazioni più gravose dell'industria moderna. L'ottimizzazione delle proprietà della pellicola depositata e l'utilizzo del target di polverizzazione ionica sono cruciali per le prestazioni del prodotto finale e per l'economia del processo. Opera di SIMULIA unisce un'accurata analisi a elementi finiti con modelli dettagliati per deposizione tramite plasma, polverizzazione ionica e pellicola offrendo strumenti pratici per la progettazione e l'ottimizzazione magnetronica.
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Domande frequenti sulla simulazione dinamica delle particelle cariche
Una particella che attraversa un campo magnetico è soggetta alla forza di Lorentz. La forza di Lorentz agisce perpendicolarmente alla direzione di movimento della particella. La forza centrifuga non altera né la velocità né l'energia della particella; tuttavia, in quanto forza centripeta, introduce un moto circolare.
Le particelle cariche sono tipicamente create in sorgenti di particelle dedicate, come i cannoni a elettroni o a ioni. I cannoni più comuni utilizzano l'emissione termoionica per generare il fascio di particelle. Realizzati con materiali particolari, questi dispositivi sono in grado di emettere elettroni quando vengono riscaldati a sufficienza. Gli elettroni vengono poi accelerati verso un anodo, dando vita a una corrente elettrica. Tra gli esempi più conosciuti ci sono i tubi a raggi catodici.
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