CST软件教程：利用OPERA和CST研究行波管ppm聚焦系统中的传输问题

为了实现椭圆片状强电子束在均匀磁场下通过椭圆隧道的稳定传输，利用OPERA和CST对矩形束流穿过矩形通道、椭圆形束流穿过矩形通道、椭圆形束流穿过椭圆通道的空间电荷场进行仿真。片状电子束技术是满足高脉冲频率微波源需求的一种很有前途的技术。但由于边缘效应的影响，弱相对论强流粒子束的稳定长距离传输仍然是一个问题。这些不稳定性是由ExB/B²速度漂移造成的。这里用OPERA和CST来研究下减少边缘扭曲。先用理论解析解得到通道形状和大小对空间电荷场的影响方程：用泊松方程给出片状电子束通过导电通道时的空间电势

 

 

矩形通道边界条件：

 

 

椭圆通道边界条件：

 

 

a和b为通道的长和宽。

下图为椭圆片状束通过椭圆通道传输的截面图。x轴、y轴和z轴对应宽度、高度和传输方向。

 

 

使用OPERA中的specified current density发射器，表面发射电流为50 A、能量20 keV。在这里OPERA的发射面模拟的不是发射器，而是直接当做束腰位置的束流来处理。通道长度限制在5毫米以内。同样参数下仿真矩形束流通过矩形通道、椭圆状束流通过矩形通道。

 

 

上图给出了在束流截面为20mmx1 mm和通道截面为23 mmx1.8 mm时空间电荷场Ex的变化与x的关系。这里的Ex归一化为三种情况下Ex在束流边缘处的最大值。该图说明，对于椭圆通道中的椭圆束流，Ex有显著的抑制作用，且与x几乎呈线性变化。

 

 

上图为椭圆通道尺寸对椭圆状束流下Ex随x变化的影响。通过减小椭圆通道高度，Ex得到了控制，Ex在波束边缘附近仅有轻微的非线性变化。在矩形通道中，由于镜像电荷效应，靠近边缘的Ex会急剧增加。换做椭圆通道，边缘的有效高度就降低了。因此通过减小椭圆通道宽度，使得两侧壁方向和垂直方向上的镜像电荷的同时增加，可以减小均匀磁场聚焦的边缘效应。同时采用OPERA和CST仿真匀场下20x1mm、面电流密度320 A/cm、20 keV能量的椭圆形束流通过椭圆漂移管（横截面26.6 mmx 1.6mm，长度10cm）。OPERA中后处理Z=10cm截面上：

 

 

X=0位置，X-Z平面束流轨迹：

 

 

可以看出，层流性很好，边缘略有扭曲。
CST中用PIC计算Z=2.5、5、7.5、10cm截面处：

 

CST结果显示7.5cm前几乎无扭曲现象。在高均匀磁场条件下，通过优化的椭圆隧道传输椭圆电子束，可以显著抑制片状电子束的边缘效应。因此，在均匀磁场下，一个本不适合PPM聚焦的弱相对论强片状束流可以通过设计适当的椭圆通道实现长距离传输。通过用OPERA 3D软件和CST particle studio仿真说明强束流在均匀磁场作用下通过椭圆通道的稳定输运是可能的。

 

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