Электродинамический анализ резонаторных ускоряющих структур

• Автор: Четвериков, Иван Олегович
• Шифр специальности: 05.12.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 159 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1. Численные методы электродинамического моделирования
1.2. Обзор основных численных методов трехмерного электродинамического моделирования
1.2. Метод конечных элементов
1.3. Описание метода конечных разностей
2. Метод конечных разностей во временной области (РБТБ)
2.1. Формулировка метода конечных разностей во временной области (РБТБ)
2.2. Анализ областей применения метода РБТБ
2.3. Методики постпроцессорной обработки данных РБТБ-метода
2.4. Оценка точности РБТБ-метода
2.5. Метод РОТО в цилиндрической системе координат
2.6. Учет омических потерь при моделировании методом РБТБ реальных резонаторов
3. Моделирование ускоряющей структуры линейного ускорителя электронов (ЛУЭ)
3.1. Особенности конструкции линейного ускорителя электронов
3.2. Ускоряющие структуры ЛУЭ
3.3. Моделирование ячейки ускоряющей структуры ЛУЭ
3.4. Определение спектрального состава и распределения поля в ускоряющей структуре ЛУЭ
3.5. Моделирование переходных процессов в ускоряющей структуре ЛУЭ
3.6. Динамическое сопряжение ускоряющей структуры ЛУЭ с генератором
4. Моделирование ускоряющих структур ионных ускорителей
4.1. Особенности конструкции ионных ускорителей

4.2. Структура с пространственно-однородной квадрупопьной фокусировкой
4.3. Распределение поля и модовый состав в структуре с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой
4.4. Структура с переменно-фазовой фокусировкой (ПФФ)
4.5. Распределение поля и модовый состав в структуре с переменнофазовой фокусировкой
4.6. Переходный процесс в структуре с переменно-фазовой фокусировкой
5. Использование метода FDTD при расчете динамики частиц
5.1. Уравнения движения частиц в электромагнитном поле
5.2. Динамика частиц в полях, определяемых FDTD-методом
5.3. Расчет возбуждаемых пучком полей в приближении заданного тока
5.4. Решение самосогласованной задачи движения заряженных частиц в электромагнитном поле
Заключение
Список литературы
Приложение 1. Применение метода конечных элементов при проектировании
структуры линейного ускорителя электронов
Приложение 2. Расчет перехода от магнетрона к волноводу
ВВЕДЕНИЕ
На современном этапе развития ускорительная техника из чисто научной сферы применения перешла в сферу прикладного назначения. Области коммерческого использования ускорителей обширны. Для ускорителей электронов с мощностью пучка 15 кВт и выше это стерилизация медицинского оборудования и пищевых продуктов, очистка отходов химических производств, таможенный контроль, промышленная дефектоскопия. Высокочастотные ускорители ионов прикладного назначения используются как излучатели в технологических комплексах различных производств, комплексах экологического мониторинга, таможенного контроля. Линейные резонаторные ускорители, используемые в промышленных целях, обычно имеют относительно небольшую выходную энергию пучка (для ионных ускорителей она составляет порядка 2-10 МэВ, для электронных - 2 - 25 МэВ). Небольшая выходная энергия позволяет делать ускорители компактными и удобными в эксплуатации. Широкие области применения ускорителей обуславливают общий рост их производства в мире. Традиционно Россия стояла на одной из передовых позиций в этой наукоемкой и высокотехнологичной области производства. Для сохранения конкурентоспособности российских ускорителей необходимо, чтобы они соответствовали современным требованиям, включающим в себя: улучшение качества пучка, повышение надежности, коэффициента полезного действия, радиационной безопасности, удобства управления; упрощение конструкции; уменьшение себестоимости и габаритов.
Новые приложения ускорителей предъявляют новые технические требования. Эти требования включают в себя работу с интенсивными пучками с улучшенной фокусировкой. Такие пучки вносят значительные возмущения в электромагнитные поля резонаторов.

К настоящему времени большое количество работ посвящено различным аспектам моделирования антенн. Метод FDTD позволяет моделировать
излучающие системы сложной конструкции, которые невозможно
моделировать другими методами, например: рупорные антенны с
композитными стенками, микрополосковые антенны с ферритовой подложкой.
Моделирование структур с активными элементами.
Обстоятельство, что в FDTD-алгоритме анализ ведется непосредственно во временной области, позволяет моделировать системы, в которых
присутствуют и активные, и пассивные элементы.
Sui и др. [56] развили двумерный FDTD-алгоритм для моделирования композиций, которые включали в себя диоды и транзисторы. Впоследствии были разработаны и трехмерные методы, моделирующие открытые и закрытые системы, содержащие активные элементы. Информацию о различных подходах, использованных при работе с такими системами, можно почерпнуть в [57]-[59].
Анализ взаимодействия электромагнитного поля и объекта.
FDTD-метод находит применение в дефектоскопии при анализе электрических характеристик армированного бетона [60]. Для исследования внутренних деталей бетонных конструкций используется GPIR (импульсный радар с высокой проникающей способностью - Ground Penetrating Imaging Radar). Целью модельных экспериментов и экспериментов с реальными объектами является получение данных об электрических свойствах типичного бетона. Результатом является оптимизация работы GPIR с высокой частотой следования импульсов и системы обработки информации, а также проектирование антенной системы, хорошо согласующейся с характеристиками данного материала.
Способность FDTD-метода анализировать структуры практически любой сложности, включая многослойные структуры - «сэндвичи», находит применение в задачах взаимодействия электромагнитного поля и тканей