粒子力学シミュレーション

電子銃

電子銃は、X 線管から進行波管増幅器まで、工業、医療、研究分野のさまざまな用途で使用されている粒子源です。通常は分散範囲を制限した精密なビームが必要ですが、電子間に空間電荷反発がはたらくため、電極を入念に設計しなければビームが分散する傾向があります。

CST Studio Suite と Opera の粒子追跡ソルバーを使うと、電子銃内部で電場を通過する電子の運動をモデリングできます。空間電荷モデルは、電子間の反発と、その結果生じるビームの分散をシミュレートします。エンジニアはビーム挙動を正確にシミュレートして、信頼性の高いビームを生成できます。包括的なマルチフィジックス・シミュレーションでは、電磁気に加えて熱と応力を調査できます。

カーボン・ナノチューブ・エミッター

カーボン・ナノチューブ・エミッターは、量子力学的な場の効果を利用し、少ない電力で室温(冷陰極)の電子を放出します。そのサイズから、これまでよりも幅広いポータブル装置に使うことができます。Opera では、人気が高まっているこれらの電子源を開発できます。

進行波管(TWT)などの真空電子装置は、その信頼性と性能の高さから、主に衛星通信に使われています。たとえば、周波数範囲が 1 ～ 60 GHz の場合、増幅信号は最大 500 W の出力に達し、効率は 50% 以上改善します(空間 TWT の場合)。

ソリッドステートのそれとは対照的に、効率性と信頼性に優れ、熱性能が高く、直線性もわずかに向上します。しかし、構築するコストが高額です。このため、TWT が使用されるのは、高電力や衛星のように信頼性が不可欠な場合です。シミュレーションがこれらの設計工程で非常に有効なのは、コストのかかる試作品をいくつも作成する必要がなくなるからです。

PIC ソルバーを使って TWT を設計するときは、らせん構造で遅くした RF 信号と電子ビームの間の相互作用領域、すなわち遅波構造(SWS)を持たせることができます。

RF 信号は入力カプラから供給されます。電子が SWS を通って伝播する間に、電子の運動エネルギーが進行波へと伝えられます。管に沿って進むうちに電子ビームは束になり、電子が進行波に伝える運動エネルギーが失われます。進行波はその後、出力カプラで抽出された最大出力で増幅されます。

SIMULIA は、マルチパクター効果やコロナ効果などの特殊な RF 絶縁破壊を、Spark3D テクノロジーに基づき解析できます。こうした効果は高電力マイクロ波構成部品で生じ、高感度機器を破壊することがあります。マルチパクターは、一つの構成部品の不具合が系全体の動作不能につながる衛星通信分野の主な懸念事項です。

調査方法は 2 通りあります。大気圧で稼働する場合は、コロナ効果が優勢になります。一方、ほぼ真空状態の大気圏外では、マルチパクター効果が優勢になります。マルチパクターは、材料特性と、ある電子の衝突が別の電子の放出を引き起こす可能性、いわゆる二次電子放出比により制御されます。マルチパクターが起こるのは、RF 素子の電力が十分に強力で、電子の加速が二次的な電子放出の増加を引き起こし、電子なだれが発生したときです。

マルチパクター効果とコロナ効果は強力な制約であり、RF コンポーネントの設計段階に加えて適格性認証の時点でも考慮する必要があります。

スパッタ・コーティングは、非常に多様な領域において、薄膜の作製に広く使われています。装飾的な低放射率のガラス・コーティングから、最も過酷な環境で稼働する製品を保護するコーティングまで、その用途は実にさまざまです。蒸着膜特性の最適化とスパッタ・ターゲットの使用は、最終製品の性能とプロセスの経済性にとって極めて重要です。SIMULIA Opera は、高精度な有限要素解析と、プラズマ、スパッタリング、膜蒸着の詳細なモデルを組み合わせて、マグネトロンの設計と最適化に関するこれまでにない実用的なツールとなっています。