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

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.

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Domande frequenti sulla simulazione dinamica delle particelle cariche

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