Accelerator cavities

선형 가속기(LINAC), 재료 특성화, 방사선 조사, 생물학을 위한 에너지 광자 소스를 제공하는 싱크로트론, 입자가 붕괴되어 일반적으로 존재하는 새로운 에너지 입자를 생성하는 링으로 구성된 충돌기 등 전 세계적으로 여러 유형의 가속기가 있습니다. 기초 연구와 우주 이해를 위해 우주 공간과 실험실에서 합성되었습니다.

가속기 캐비티

캐비티 또는 빔 위치 모니터와 같은 가속기 구성 요소는 일반적으로 고유 모드, 과도 또는 Frequency domain solver를 사용하여 설계됩니다. 그러나 빔과의 상호 작용과 관련하여 Wakefield solver는 놀라울 정도로 다재다능한 도구입니다.

여기에 표시된 TESLA 가속기의 9 cell 캐비티를 고려합니다. 목표는 가속기를 따라 빔이 전체 전파되는 동안 전자빔 가속도를 유지하는 것입니다. RF 전력이 생성되어 TESLA 공동에 결합되어 공동에 이러한 EM 필드를 설정합니다. 공동을 통과하는 전자는 가속도를 유지하기 위해 자기장과 올바른 위상 관계를 유지해야 합니다. 그러나 그 자체로 강한 전류인 전자빔은 가속 과정을 제한하거나 방해할 수 있는 공동을 통해 이동하는 동안 고주파 필드를 유도하고 소위 웨이크필드라고 불리는 모드를 여기시킵니다. Wakefield solver는 이러한 필드를 계산하고 가속기 구성 요소의 설계를 개선하는 데 도움을 줍니다.

빔 광학

입자 가속기는 자석과 전극을 사용하여 입자 빔을 유도, 정제 및 제어합니다. 일반적인 빔 광학 구성 요소에는 빔의 초점을 맞추는 자기 및 정전기 렌즈, 빔을 구부리고 조종하는 디플렉터, 빔의 방향을 바꾸는 키커 자석, 입자를 안전하게 포착하는 콜리메이터 및 수집기가 포함됩니다.

SIMULIA 도구인 Opera와 CST Studio Suite는 영구 자석, DC 및 AC 쌍극자, 사중극자, 고차 자석, 언듈레이터 및 솔레노이드를 포함한 모든 유형의 가속기용 자석을 성공적으로 설계하는 데 사용되었습니다. 입자 추적 solver는 공간 전하 효과 유무에 관계없이 시뮬레이션된 필드를 통해 입자의 움직임을 시뮬레이션합니다.

Opera는 초전도 자석이 정상 상태로 빠르게 전환되는 초전도 급랭 이벤트를 포함하여 저온 및 고온 초전도체를 모두 시뮬레이션할 수 있습니다. 각각 사용자가 정의한 전하와 질량을 갖는 여러 종의 하전 입자를 포함하는 것이 가능합니다.

Particle Sources and Electron Guns

전자총

전자총은 X선관부터 진행파관 증폭기에 이르기까지 다양한 산업, 의료 및 연구 응용 분야에서 입자의 소스입니다. 이는 분산이 제한된 매우 정제된 빔이 필요한 경우가 많습니다. 그러나 전자 사이의 공간 전하 반발은 전극을 신중하게 설계하지 않으면 빔이 발산하는 경향이 있음을 의미합니다.

CST Studio Suite 및 Opera의 입자 추적 solver는 총 내부의 전기장을 통해 전자의 움직임을 모델링할 수 있습니다. 공간 전하 모델은 전자 사이의 반발력과 그에 따른 빔 분산을 시뮬레이션하므로 엔지니어는 빔 동작을 정확하게 시뮬레이션하고 신뢰할 수 있는 빔을 생성할 수 있습니다. 포괄적인 다중 물리학 시뮬레이션을 통해 전자기학 외에도 열 및 응력을 조사할 수 있습니다.

탄소나노튜브 튜브 이미터는 더 적은 전력을 필요로 하는 양자역학적 전계 효과에 의해 실온(냉음극)에서 전자를 생성합니다. 크기 때문에 더 많은 휴대용 장치에 사용될 수 있습니다. Opera를 사용하면 점점 더 대중화되는 전자 소스를 개발할 수 있습니다.

Vacuum Electron Devices

진행파관(TWT)과 같은 진공 전자 장치는 신뢰성뿐만 아니라 성능 덕분에 위성 통신에 주로 사용됩니다. 예를 들어, 1~60GHz 사이의 주파수 범위에서 증폭된 신호는 50% 이상의 효율로 최대 500W의 출력 전력에 도달할 수 있습니다(우주 TWT의 경우).

솔리드 스테이트 제품과 달리 더 높은 효율성, 더 높은 신뢰성, 더 나은 열 성능 및 약간 더 나은 선형성을 보여줍니다. 그러나 구축 비용이 더 비쌉니다. 따라서 TWT는 고전력 및 위성과 같이 신뢰성이 필수인 경우에 사용됩니다. 시뮬레이션은 비용이 많이 드는 여러 프로토타입의 필요성을 줄여주기 때문에 이러한 설계 프로세스에서 매우 매력적입니다.

TWT 설계는 나선형 구조에 의해 유지되는 전자 빔과 RF 신호 사이의 상호 작용 영역에 해당하는 SWS(Slow Wave Structure)를 특성화하기 위해 PIC solver를 사용하여 완전히 수행될 수 있습니다.

RF 신호는 입력 커플러에서 도입됩니다. SWS를 따라 전자가 전파되는 동안 전자의 운동 에너지는 진행파로 전달됩니다. 튜브를 따라 전자빔이 뭉치기 시작하고 전자는 진행파로 전체적으로 전달되는 운동 에너지를 잃습니다. 그런 다음 진행파는 출력 커플러에서 추출된 최대 전력으로 증폭됩니다.

Plasma

플라즈마 응용 분야는 일반적으로 시간 규모가 크며 플라즈마는 전자와 이온 사이의 공간 전하 상호 작용으로 설명할 수 있습니다. ES-PIC(Electrostatic Particle-In-Cell) 기술은 정전기 효과만 고려하여 공간 전하 대 시간을 계산합니다. 이는 순수한 PIC 접근 방식과 비교할 때 전류 및 H-Field가 유도되지 않지만 이러한 플라즈마 응용 분야에 매우 적합하다는 것을 의미합니다. 이는 또한 이온의 온도 구배와 또 다른 수치적 접근법이 필요한 대류 효과를 무시하고 상대적으로 낮은 압력에서의 공간 전하 역학 및 충돌로 현상을 설명할 수 있는 플라즈마 응용 분야에도 유효합니다.

융합 플라즈마용 전원

융합용 플라즈마는 매우 뜨거운 플라즈마입니다. 그들은 토카막에서 생성되며 새로운 에너지 생산원을 제공합니다. 이는 세계가 직면하고 있는 에너지 문제에 답하기 위해 오늘날 연구되고 있는 지속 가능한 에너지 중 하나입니다. 미래의 에너지는 깨끗하고 안전하며 통제된 핵융합에서 나와야 합니다.

주요 작동 원리에서 플라즈마는 제한된 상태로 유지되어야 합니다. 이것이 토카막을 둘러싸고 있는 매우 복잡한 자기 코일 설계의 역할입니다. 그런 다음 열핵 반응을 유지하려면 플라즈마가 충분히 뜨거워야 합니다. 이것이 PIC 솔버로 완전히 설계되고 시뮬레이션될 수 있는 자이로트론 장치의 역할입니다.

자이로트론은 최대 수백 GHz의 작동 주파수로 수백 kW 정도의 출력 전력을 생성할 수 있는 고전력 진공 전자 장치입니다. 자이로트론은 생성된 마이크로파 주파수가 플라즈마 주파수 중 하나를 자극할 수 있기 때문에 플라즈마 가열 공정에 매우 적합합니다. 파도는 에너지를 플라즈마로 전달하여 가열 과정을 진행합니다.

Multipactor and Corona effects

SIMULIA의 매우 특별한 기능은 Spark3D 기술을 기반으로 한 멀티팩터 및 코로나 효과와 같은 RF 고장 분석입니다.

예를 들어 로켓 발사를 생각해 보겠습니다. 로켓과 통신하고 페이로드를 안전하게 궤도에 진입시키기 위해서는 당연히 일부 전자 장치가 활성화되어야 합니다.

문제는 발사 과정에서 다양한 수준의 압력을 통과할 때 온보드 통신에 사용되는 RF 구성 요소에 어떤 일이 발생하는가 하는 것입니다. 이는 중요한 RF 구성 요소의 RF 고장 가능성으로 인해 이러한 임무를 잃고 싶지 않기 때문에 중요합니다.

여기서 두 가지 조사 방법을 수행할 수 있습니다. 대기압에서 작업할 때는 코로나 효과가 지배적인 반면, 우주에 내장된 구성 요소(즉, 진공에 매우 가깝다는 의미)의 경우 멀티팩터 효과가 지배적입니다. 멀티팩터는 재료 특성과 RF 부품 표면에 대한 1차 전자의 충격으로 인해 하나 이상의 전자가 방출될 확률을 제어하는 소위 2차 방출 수율에 의해 결정됩니다. RF 장치의 전력이 충분히 강하여 국소 전자기장이 일부 전자를 가속시켜 2차 전자 방출을 증가시켜 전자 눈사태를 일으킬 수 있는 경우 멀티팩터가 발생합니다.

멀티팩터와 코로나 효과는 RF 구성 요소의 설계 단계와 자격 테스트 중에 고려해야 하는 강력한 제약 조건입니다.

Magnetron sputtering

스퍼터 코팅은 유리의 장식용 및 저방사율 코팅부터 오늘날 가장 까다로운 응용 분야에 사용되는 제품의 엔지니어링 코팅에 이르기까지 매우 다양한 응용 분야에서 박막을 제조하는 데 널리 사용됩니다. 증착된 박막의 특성과 스퍼터 타겟의 활용을 최적화하는 것은 최종 제품의 성능과 공정의 경제성에 매우 중요합니다. SIMULIA Opera는 정확한 유한 요소 해석과 플라즈마, 스퍼터링 및 박막 증착에 대한 세부 모델을 결합하여 마그네트론 설계 및 최적화를 위한 최초의 실용적인 도구를 제공합니다.