Simulation de la dynamique des particules

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.

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.

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.

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.