用于三维全电磁粒子模拟的电荷守恒共形发射技术

给出了满足电荷守恒的共形发射技术。首先阴极表面由三角网格共形描述,发射带电粒子时,根据电荷和电流线性分配方式和离散高斯定律,带电粒子的初始位置设置在与三角面元处于同一个网格元胞内,离三角面元最近且处于金属内部的网格点上。带电粒子的初始运动由两部分组成:一是由三角面上的法向场推进所产生的运动;二是使发射粒子在阴极面上分布呈随机性而设定的随机运动。运动产生的电流按照电荷守恒定律分配到离散网格中,并且由于粒子的初始位置设置在整网格点上,带电粒子的共形发射不会产生非物理的静电累加。最后通过同轴二极管模型来验证共形发射模型的正确性。

全电磁粒子模拟算法研究及软件研制进展

全电磁粒子模拟方法通过求解电磁场与带电粒子之间的非线性相互作用,广泛应用于真空电子器件的数值模拟研究及参数优化设计,也能用于高能带电粒子产生电磁脉冲等物理现象的模拟研究。本文作者所在团队在全电磁粒子模拟算法研究、软件研制及应用等方面开展了系列工作,取得的进展有:(1)开展了2.5维全电磁粒子模拟算法研究及软件研制,提出了基于2.5维粒子模拟算法及并行遗传算法的真空电子器件优化方法,研制的软件已应用于真空电子器件的设计和优化;(2)完成了3维并行全电磁粒子模拟算法研究及软件研制,采用共形网格模拟3维复杂真空电子器件结构,具备超大规模并行计算能力,已应用于真空电子器件的3维数值模拟研究;(3)开展了基于时域间断有限元的全电磁粒子模拟算法研究,研制了基于该方法的全电磁粒子模拟软件,大幅提高了全电磁粒子模拟方法计算复杂结构的能力。

三维全电磁粒子模拟技术在真空电子器件中的应用研究

全电磁粒子模拟技术用于求解带电粒子与电磁场之间的非线性相互作用,已成功地应用于真空电子器件的设计以及参数优化,随着真空电子器件工作频率达到太赫兹波段,全电磁粒子模拟算法需要采用共形算法提高电磁场的计算精度以及准确描述电子束的运动状态。较高输出功率水平一直是真空电子器件的研究热点,为了避免高功率所带来的脉冲缩短现象,采用过模结构能进一步提高真空电子器件的功率容量,但是也会导致器件内部的模式竞争加剧,另外阴极产生电子的不均匀性会进一步加剧器件内部的模式竞争问题,导致非轴对称模式被激励。因此需要采用三维全电磁粒子模拟软件对器件的实际工作状态进行数值模拟研究,同时平板结构的新型真空电子器件也需要采用三维全电磁粒子模拟软件进行数值模拟研究。本文详细介绍了三维全电磁粒子模拟所使用的共形算法,并采用自行研制的三维全电磁粒子模拟软件对相对论返波管、径向返波管以及平板回旋管开展了数值模拟研究。

用于全电磁粒子模拟的复杂建模及网格生成技术

基于Open CASCADE开源的计算机辅助几何设计类库,给出了全电磁粒子模拟中复杂模型构建技术及网格生成技术。介绍了Open CASCADE软件的基本特点;给出了基于Open CASCADE进行自主研发的用于全电磁粒子模拟的复杂模型构建软件EasyEMModeling的设计思想、程序框架及已具备的功能;基于Open CASCADE中的射线与几何体的求交算法,给出了Yee网格中共形描述3维复杂模型的共形网格生成技术;最后,给出了验证实例,证实了共形网格生成方法的正确性及有效性。

多电子束发射相对论返波管的三维数值模拟

在X波段相对论返波管中引入多电子束发射阴极,采用三维共形全电磁PIC粒子模拟软件对返波管进行了模拟。结果表明:多电子束发射阴极的面积为环形阴极面积的20%,产生的电流与环形阴极相同;采用多电子束发射阴极的相对论返波管能稳定地输出功率。与采用环形阴极的相对论返波管相比,由于多电子束发射阴极所产生的电子束与电磁波的相互作用降低,器件的输出功率下降11%,达到稳定输出功率的时间延迟5 ns。