Simulation de la dynamique des particules
Simulation de particules dans des champs électromagnétiques
Appareils à électrons sous vide, accélérateurs de particules, etc
Le portefeuille de simulation SIMULIA comprend une large gamme de solveurs, permettant la simulation d'appareils qui fonctionnent en utilisant l'interaction de particules en mouvement libre et de champs électromagnétiques. Cette partie du portefeuille s'appuie sur les technologies bien établies fournies par CST Studio Suite et Opera.
La simulation de la dynamique des particules chargées est essentielle pour analyser et optimiser divers appareils à particules chargées. Le processus de simulation de la vie d'une particule peut commencer par l'émission des particules et les effets de l'accélération des champs électrostatiques et magnétostatiques de focalisation auxquels elles sont exposées. En outre, ces dispositifs qui créent des champs externes sont soigneusement conçus à l'aide d'une simulation statique extrêmement précise. À très haute énergie, les équations relativistes du mouvement doivent également être prises en compte.
La simulation de particules peut considérer les champs générés par les particules comme une charge spatiale, qui recouvre les champs électromagnétiques externes. Les champs auto-électromagnétiques peuvent introduire une composante transitoire qui agit sur les particules. À ce stade, nous avons besoin d'une simulation de particules dans la cellule entièrement autoconsistante.
Pour atteindre des énergies de particules plus élevées, le faisceau de particules est exposé aux champs RF. Un faisceau d'électrons peut désormais approcher la vitesse de la lumière, la limite ultra-relativiste. Le faisceau de particules est considéré comme un courant qui crée des champs électromagnétiques, des champs de sillage qui peuvent agir sur eux-mêmes ou sur les faisceaux suivants. Divers appareils optiques à faisceau guident le faisceau.
CST Studio Suite et Opera incluent plusieurs outils pour la conception d'appareils à particules chargées. Outre les solveurs statiques et haute fréquence typiques, il y a le solveur de suivi de particules, le solveur de particules en cellule électrostatiques (Es-PIC), le solveur de particules en cellule (PIC) standard et le solveur de champ de sillage. Ils sont utilisés pour concevoir des composants de ligne de faisceau allant des sources de particules aux absorbeurs, en passant par les aimants et les cavités.
La simulation de la dynamique des particules est également cruciale dans la conception des tubes à vide. CST Studio Suite permet, entre autres, de concevoir des magnétrons, des gyrotrons, des klystrons et des amplificateurs sous forme de tube à ondes progressives. Les effets de claquage tels que multipactor et corona peuvent être simulés. De plus, avec la simulation multiphysique, il est également possible de prendre en compte les effets thermiques et mécaniques des micro-ondes haute puissance.
Applications de la dynamique des particules
- Accélérateurs de particules
- Sources de particules et canons à électrons
- Tubes électroniques à vide
- Plasma
- Multipactor et corona
- Pulvérisation magnétron
Accélérateurs de particules
Composants d'accélérateurs
Les composants d'accélérateurs tels que les cavités ou les moniteurs de position de faisceau sont généralement conçus avec des solveurs en mode propre, en régime transitoire ou de domaine fréquentiel. Cependant, pour l'interaction avec le faisceau, le solveur de champ de sillage est un outil incroyablement polyvalent. Pour en savoir plus sur les solveurs CST Studio Suite, cliquez ici.
Une cavité à 9 cellules de l'accélérateur TESLA présenté ici. L'objectif est de maintenir l'accélération du faisceau d'électrons pendant toute la propagation du faisceau le long de l'accélérateur. La puissance de radiofréquence (RF) est générée et couplée dans les cavités TESLA afin que les champs EM soient établis dans les cavités. Les électrons qui traversent les cavités doivent conserver la relation de phase appropriée au champ afin de maintenir l'accélération. Le faisceau d'électrons, un courant fort en lui-même, induit des champs haute fréquence et excite les modes, appelés champs de sillage, tout en traversant les cavités. Ces champs de sillage peuvent limiter ou interrompre le processus d'accélération. Le solveur de champ de sillage calcule ces champs et contribue à améliorer la conception des composants d'accélérateurs.
Optique de faisceau
Les accélérateurs de particules utilisent des aimants et des électrodes pour diriger, affiner et contrôler le faisceau de particules. Les composants optiques de faisceau typiques incluent des lentilles magnétiques et électrostatiques pour concentrer le faisceau, des déflecteurs pour courber et diriger le faisceau, des aimants de déflexion rapide pour rediriger le faisceau, des collimateurs et des collecteurs pour capturer les particules en toute sécurité.
Les outils SIMULIA Opera et CST Studio Suite ont été utilisés pour concevoir avec succès tous les types d'aimants pour les accélérateurs : aimants permanents, dipôles CC et CA, quadrupôles et aimants de niveau supérieur, onduleurs et les solénoïdes. Les solveurs de suivi de particules simulent le mouvement des particules à travers les champs simulés, avec ou sans effets de charge spatiale.
Opera peut simuler des supraconducteurs à basse et haute température, y compris des événements de quench supraconducteurs où un aimant supraconducteur passe rapidement à l'état normal. Il est possible d'ajouter différents types de particules chargées, dont la charge et la masse peuvent être définies individuellement par l'utilisateur.
Simulation de sources de particules et de canons à électrons
Canons à électrons
Les canons à électrons sont les sources de particules dans de nombreuses applications industrielles, médicales et de recherche, des tubes à rayons X aux amplificateurs sous forme de tube à ondes progressives. Ceux-ci nécessitent souvent des faisceaux raffinés avec une dispersion limitée. Cependant, la répulsion de la charge spatiale entre les électrons signifie que le faisceau a tendance à diverger sans une conception minutieuse des électrodes.
Les solveurs de suivi de particules dans CST Studio Suite et Opera peuvent modéliser le mouvement des électrons à travers le champ électrique à l'intérieur du canon. Les modèles à charge spatiale simulent la répulsion entre les électrons et la dispersion du faisceau qui en résulte, ce qui permet aux ingénieurs de simuler avec précision le comportement du faisceau et de produire un faisceau fiable. Une simulation multiphysique complète permet d'effectuer une analyse thermique et de contrainte en plus d'analyser les éléments électromagnétiques.
Émetteurs à nanotubes de carbone
Les émetteurs à nanotubes de carbone produisent des électrons à température ambiante (cathode froide) grâce à l'effet de champ mécanique quantique, qui nécessite moins d'énergie électrique. En raison de leur taille, ils peuvent être utilisés dans des appareils plus portables. Opera permet le développement de ces sources d'électrons de plus en plus populaires.
Tubes électroniques à vide
Les tubes électroniques à vide, comme les tubes à ondes progressives (TWT) sont principalement utilisés pour les communications par satellite en raison de leur fiabilité et de leurs performances. Par exemple, dans la plage de fréquences 1 à 60 GHz, le signal amplifié peut atteindre une puissance de sortie de 500 W avec une efficacité supérieure à 50 % (TWT pour l'espace).
Contrairement à leurs composants homologues à l'état solide, ils présentent une plus grande efficacité, une meilleure fiabilité, des performances thermiques accrues et une linéarité légèrement plus élevée. En revanche, ils sont plus coûteux à construire. C'est pourquoi les TWT sont utilisés lorsque la fiabilité est une condition indispensable, comme dans le cas des grandes puissances et des satellites. La simulation est intéressante dans ces processus de conception, car elle réduit le recours aux prototypes coûteux.
La conception d'un tube TWT peut être réalisée à l'aide d'un solveur PIC pour caractériser la structure de retard (SWS) qui correspond à la région d'interaction entre le faisceau à électrons et le signal RF supporté par la structure à hélice.
Un signal RF est introduit par un coupleur d'entrée. Pendant la propagation des électrons le long de la structure SWS, l'énergie cinétique des électrons est transmise à l'onde progressive. Le long du tube, le faisceau d'électrons commence à se regrouper et les électrons perdent leur énergie cinétique au profit de l'onde progressive. L'onde progressive est alors amplifiée avec un maximum de puissance extraite dans le coupleur d'entrée.
Simulation de plasma
Applications plasma
Les applications Plasma possèdent généralement des échelles de temps étendues. Le plasma peut être décrit par son interaction de charge spatiale entre les électrons et les ions. La technologie de particule en cellule électrostatique (ES-PIC) calcule la charge spatiale dans le temps en tenant compte de l'effet électrostatique uniquement. En comparaison avec une approche PIC pure, il n'y a pas de courant et de champ H induit, mais cette technologie est bien adaptée à ces applications plasma. Elle convient également aux applications plasma pour lesquelles le phénomène peut être décrit par la dynamique de la charge spatiale et les collisions à une pression relativement faible, en négligeant les gradients de température des ions et les effets de convection qui exigeraient une autre approche numérique.
Sources d'énergie pour plasma de fusion
Les plasmas pour la fusion atteignent des températures très élevées. Ils sont créés dans des tokamaks et fournissent une nouvelle source de production d'énergie. À l'heure actuelle, cette fusion est une énergie durable qui fait l'objet d'études pour déterminer son aptitude à répondre aux problèmes énergétiques du monde entier. L'énergie du futur devra provenir de la fusion propre, sûre et contrôlée.
Dans son mode de fonctionnement principal, le plasma doit rester confiné. Ce rôle est dévolu aux bobines magnétiques complexes qui entourent le tokamak. Ensuite, le plasma doit être suffisamment chaud pour maintenir les réactions thermonucléaires. C'est le rôle des gyrotrons qui peuvent être entièrement conçus et simulés à l'aide du solveur PIC.
Les gyrotrons sont des tubes à vide de forte puissance capables de générer des puissances de sortie de l'ordre de centaines de kW à des fréquences de fonctionnement pouvant atteindre plusieurs centaines de GHz. Les gyrotrons sont bien adaptés au processus de chauffage du plasma, car l'hyperfréquence générée peut exciter l'une des fréquences de plasma. Les ondes transfèrent leur énergie au plasma, ce qui entraîne le processus de chauffage.
Simulation multipactor et corona
SIMULIA propose une analyse de claquage RF spéciale, comme les effets multipactor et corona basés sur la technologie Spark3D. Ces effets se produisent dans les composants micro-ondes haute puissance et peuvent détruire les appareils sensibles. L'effet multipactor est un problème majeur pour les communications par satellite, où une défaillance d'un composant peut rendre l'ensemble du système inopérant.
Deux types d'investigation sont possibles ici. Lors d'un fonctionnement avec des pressions atmosphériques, l'effet Corona est dominant, tandis que pour les composants envoyés dans l'espace (autrement dit, dans des conditions très proches du vide), c'est l'effet multipactor qui domine. L'effet multipactor est régi par les propriétés du matériau et le "rendement d'émission secondaire", c'est-à-dire la probabilité d'une collision d'électrons entraînant l'émission d'un autre électron. L'effet multipactor se produit lorsque la puissance de l'appareil RF est suffisamment forte pour accélérer des électrons, ce qui entraîne une multiplication des émissions d'électrons secondaires et crée une avalanche d'électrons.
Les effets multipactor et corona sont des contraintes importantes qui doivent être pris en compte lors de la phase de conception des composants RF et des tests de qualification.
Simulation de pulvérisation magnétron
Le revêtement par pulvérisation est largement utilisé pour la fabrication de films fins dans de nombreux domaines. Les applications incluent les revêtements décoratifs et à faible émissivité sur le verre, ainsi que les revêtements d'ingénierie sur les produits utilisés dans les applications les plus exigeantes d'aujourd'hui. L'optimisation des propriétés du film déposé et le recours à une cible de pulvérisation sont essentiels à la réalisation du produit fini et à la rentabilité du processus. Opera de SIMULIA associe une analyse par éléments finis précise à des modèles détaillés de plasma, de pulvérisation et de dépôt de film afin d'offrir les outils nécessaires à la conception et à l'optimisation de magnétrons.
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FAQ sur la simulation de la dynamique des particules chargées
Une particule traversant un champ magnétique est soumise à la force de Lorentz. La force de Lorentz agit perpendiculairement à la direction du mouvement de la particule. Elle ne modifie pas la vitesse ou l'énergie de la particule ; cependant, en tant que force centripète, elle introduit un mouvement circulaire.
Les particules chargées sont généralement créées dans des sources de particules dédiées telles que les canons à électrons ou les canons à ions. Les canons couramment utilisés utilisent l'émission thermionique pour générer un faisceau de particules. Fabriqués à partir de matériaux spéciaux, lorsqu'ils sont suffisamment chauffés ils émettent des électrons qui sont accélérés vers une anode. Les tubes cathodiques en sont des exemples bien connus.
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