ビーム・プラズマ

ビームやプラズマを応用した装置の内部では荷電粒子と電磁界が複雑な挙動をしているためシミュレーションが欠かせません。
  • TWTやマグネトロン、クライストロン、テラヘルツ光源などの電磁波源
  • 電子銃・イオン源や加速管、磁石、コレクタなどの加速器コンポーネント
  • X線管や光電子増倍管、ストリークカメラなどの電子管
  • 電子顕微鏡や質量分析器などの分析装置
  • イオン注入や電子ビームリソグラフィ、容量性結合プラズマなどの加工装置
  • マルチパクタ放電やコロナ放電などの放電現象
などの装置の課題を明確にし、設計開発と高度化に役立ちます。

SARAFの1.5MeV/u 陽子・重陽子RFQ加速器

Soreq NRCのJ. Rodnizki氏によるプレゼンテーション。SARAF RFQは動作周波数176 MHzの四翼型RFQです。4 mA重陽子/陽子ビームをバンチし、20keV/nucleon DCから1.5 MeV/nucleon CWまで加速するように設計します。(英語)

プラズマ発光装置の設計 - マルチフィジックスによるアプローチ

CST STUDIO SUITEのマルチフィジックス シミュレーションを活用した、プラズマ発光装置の設計事例をご紹介します。この装置はISM帯の2.45 GHzで動作します。空洞と給電システムについて高周波シミュレーションを行い、設計の電気、磁気、熱、機械それぞれの特性をテストします。

大電力マイクロ波源 - フィードバックのあるダブルギャップ・バーカトールのシミュレーション

CST STUDIO SUITEの解析ツールのひとつであるCST PARTICLE STUDIO(CST PS)では、電子ビームと電磁界の相互作用により大電力マイクロ波管のシミュレーションを行うことができます。本資料では、空間電荷効果の考慮が可能で完全に相対論的な、自己無撞着のparticle-in-cellソルバーを使用した、バーカトール(バーチャルカソードオシレータ)のシミュレーションをご紹介します。シミュレーションにより、装置の動作を支配する物理の理解が深まることが期待できます。この装置では、さまざまな変数により感受性レベルの評価が可能ですが、ここでは目的の周波数範囲で最も効率がよくなるようにパラメータを最適化します。

THz応用に向けた新しい遅波構造の設計とシミュレーション

THz領域応用に向けた遅波構造の解析例をご紹介します。”quasi parallel plate”と呼ばれる新しい遅波構造の初期設計と検証に電磁界シミュレーションを使用します。さらにPicソルバーを使用して、この遅波構造を用いた後進波発振器(BWO)のシミュレーションを行います。

5MeV 電子ビーム用双極子電磁石スペクトロメーター

論文に基づく解析事例です。双極子電磁石に粒子を入射するシミュレーションを行い、粒子軌道に沿う磁束密度を計算します。さらに粒子軌道解析を行い、粒子エネルギーの違いにより曲率半径が変化する様子を可視化します。

C-Bandオンアクシス定在波型線形加速器

線形加速器(リニアック)は広く加速器施設に使用される加速器です。軽い粒子の場合、円形加速管ではシンクロトロン放射の影響を受けるため使用上の制約があり、線形加速器が第一選択肢となります。産業応用では1MeV~25MeVまで加速するコンパクトな電子線形加速器が要求されます。CST MW STUDIO(CST MWS)とCST PSを使用して、荷電粒子と加速電界の相互作用と共に加速器構造の高周波特性を調べることができます。

PETRA III トロイドの熱負荷

トロイドはビーム電荷を測る目的で使用される加速器部品です。CST PS のウェイクフィールドソルバー(WAK)でビームのエネルギー損失をシミュレーションし、トロイド内部で誘起される熱負荷を計算します。それをもとに、部品が達する最高温度を定常熱ソルバーでシミュレーションします。

本事例はDESY(Hamburg. Germany)のご厚意により掲載します。

クライストロン出力共振器のPIC(Particle-in-Cell)シミュレーション

CST PARTICLE STUDIOのPic(Particle-in-Cell)ソルバーによるクライストロン出力共振器の計算例です。CST MW STUDIOの解析環境を継承したPICソルバーでは、出力電力や時間依存界などの情報を容易に抽出することができます。

微細加工つづら折り導波路を応用した広帯域進行波管

動作周波数が高くなるにつれ部品を小型化する必要に迫られて、真空管コミュニティでも微細加工が常識になりつつあります。従来型の回路ではロバスト性が十分ではないためです。220GHz用に設計された微細加工のつづら折り導波路をCST PARTICLE STUDIOのParticle-in-Cell(PIC)ソルバーで解析した事例をご紹介します。

電子銃の連続荷電粒子シミュレーション

ピアス型電子銃のシミュレーション例です。電気的サイズの大きいモデルをCST PARTICLE STUDIOで解析します。

6~18GHz・20W進行波管アンプの電子銃

すべての荷電粒子の応用は電子銃から始まります。電子銃のなかでDC電力はビームに変換され、ビームはさまざまな電磁構造との間で相互作用を起こします。CST PARTICLE STUDIOのTrackingソルバーによる電子銃の解析と設計例をご紹介します。

Kuバンド進行波管

進行波管の電磁界・電子運動解析を行った事例です。電子銃はChild則に従い、電子を遅波構造に入射します。遅波構造内で電子が発散しないように周期的永久磁石(PPM)で集束磁界を発生させ、また、遅波構造の電磁界特性は固有値解析により得ています。PICによる時間領域の電子の挙動をシミュレーションした結果、信号の増幅は46.5dBとなりました。(英語)

2キャビティモノトロンのPICシミュレーション

モノトロンは、DCエネルギーをRFエネルギーに変換するシンプルな構造のマイクロ波管です。CST PARTICLE STUDIOを使用してふたつのキャビティがあるモノトロンをシミュレーションした事例です。

650 GHz後進波発信器のシミュレーション

CST PARTICLE STUDIOを使用した、インターディジタルBWOの解析例です。過渡電磁界と荷電粒子運動の相互結合を考慮できるPICコードにより、理論値と良く一致した結果が得られました。本事例の内容は、Teraphysics Corporation(米)のご厚意と許諾により掲載します。

コリメータのwakefieldシミュレーション

CST PARTICLE STUDIOを使用してコリメータ内部のwakefield効果を計算した事例です。wakefield効果は事例のような線形コライダー加速器部品の設計において重要です。

ビーム位置モニタのwakefieldシミュレーション

CST PARTICLE STUDIO を使用してピックアップモードのビームポジションモニターを解析した事例です。使用したビームポジションモニターは、ドイツ国立重イオン研究所(Gesellschaft für Schwerionenforschung(GSI): Darmstadt、独)の電子ストレージリングに使われているものと同様な4分の1波長の電極です。

誘電体レーザー加速器の原理

誘電体レーザー加速器の原理をシミュレーションによって示した事例です。

医療用X線管の静電界シミュレーション

X線管の破壊電界をCST EM STUDIOでシミュレーションした事例です。CADからインポートしたSTEPモデルを使用します。

進行波管の周期的固有モードシミュレーション

CST MW STUDIOは進行波管(TWT)のような周期性のある固有モード問題を解くことができます。計算結果としてピアスインピーダンスのほか群遅延や位相分散などの特性が得られます。

凹型コレクタのシミュレーション

Rijnhuizen自由電子メーザー(FEM)に用いられるマルチステージ凹型コレクタの解析例です。許諾を得て、Pulsar PhysicsのシミュレーションをCST PARTICLE STUDIOで再現しました。(M.J. de Loos, S.B. van der Geer, Pulsar Physics, Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B, Vol 139, 1997.)