粒子动力学应用

加速器零部件

加速器零部件（如模腔或射束位置监控器）通常使用 Eigenmode、Transient 或 Frequency Domain 解算器设计。但是，当涉及到与射束的交互时，Wakefield 解算器是一个非常通用的工具（请在此处阅读有关 CST Studio Suite 解算器的更多信息）。

我们考虑了此处所示的 TESLA 加速器的 9 节电池模腔。目标是在沿加速器的射束整个传播过程中保持电子束加速度。RF 功率生成并耦合到 TESLA 模腔中，以在模腔中建立这些 EM 磁场。通过模腔的电子需要与场保持正确的相位关系，以保持加速度。但是，电子束本身就是一种强电流，它在穿过可能限制或中断加速流程的模腔时会诱导高频场和激发模式，即所谓的尾场。Wakefield 解算器计算这些场并帮助改进加速器零部件的设计。

真空电子设备（如行波管 (TWT)）主要用于卫星通信，因为它们具有可靠性，但也得益于它们的性能。例如，在 1-60 GHz 的频率范围内，放大信号可达到高达 500W 的输出功率，效率超过 50%（对于空间 TWT）。

与固态产品相比，它们表现出更高的效率、更高的可靠性、更好的热性能和稍微更好的线性。但是，它们的构建成本更高。因此，在可靠性是必备条件时，如在高功率和卫星上，使用 TWT。仿真在这些设计流程中非常有吸引力，因为它减少了对多个成本高昂的原型的需求。

TWT 的设计可以使用 PIC 解算器来对慢波结构 (SWS) 进行表征，该结构对应于电子射束与螺旋结构所维持的 RF 信号之间的相互作用区域。

RF 信号从输入耦合器引入。在电子沿 SWS 传播过程中，电子的动能被传输到行波。沿着电子管，电子束开始成束，电子失去其动力能量，动力能量被全局转移到行波中。然后，使用输出耦合器中提取的最大功率放大行波。

等离子体应用通常具有较大的时间尺度，可以通过电子和离子之间的空间电荷相互作用来描述等离子体。静电粒子仿真 (ES-PIC) 技术计算空间电荷与时间的关系，仅考虑静电效应。这意味着与纯 PIC 方法相比，没有电流和 H 场诱导，但非常适合这些等离子体应用。它还适用于可通过空间电荷动力学和相对较低压力下的碰撞来描述这种现象的等离子体应用，从而忽略离子的温度梯度和对流效应（需要另一种数值方法）。

聚变等离子体的电源

聚变等离子体是非常热的等离子体。它们是在托卡马克装置中创建的，提供了新的能源生产来源。这是今天正在研究的可持续能源之一，以期解决世界面临的能源问题。未来的能量必须来自清洁、安全和受控的骤变。

在主要操作原理中，等离子体需要保持密闭。这是围绕托卡马克装置的非常复杂的磁线圈设计的作用。然后，等离子体需要足够热才能维持热核反应。这是回旋管设备的作用，该等设备可以使用 PIC 解算器进行全面设计和模拟。

回旋管是高功率真空电子设备，能够以数百 kW 的功率生成输出功率，工作频率高达数百 GHz。回旋管非常适合等离子体加热流程，因为产生的微波频率可以激发其中一种等离子体频率。波形将能量传输到等离子体，从而进入加热流程。