автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Электродинамический анализ резонаторных ускоряющих структур

Выводы и результаты пятой главы

В заключение к этой части работы следует отметить большие перспективы совместного использования метода РЭТБ для расчета электромагнитных полей и метода Рунге-Кутта, используемого для расчета динамики заряженных частиц. Такого рода подход может оказать существенную помощь при расчете и оптимизации как различных ускоряющих структур, так и мощных генераторов и усилителей, используемых в СВЧ технике. Проведенные численные эксперименты показали эффективность предложенных в этой главе методов расчета динамики пучка.

Следует отметить также, что на современном этапе развития ускоряющей техники существует потребность в методах такого рода. В таких структурах как структура с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой качественное моделирование динамики частиц не может быть получено другими методами. Кроме того, на сегодняшний день все большую популярность приобретают методы фокусировки пучка частиц ВЧ-полем, например, в ускоряющих структурах ионных ускорителей с фазо-переменной фокусировкой и линейных ускорителей электронов. Поэтому необходимо продолжение исследований в этой области.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Особенности построения и функционирования высокочастотных систем резонаторных ускорителей создают значительные сложности для анализа и требуют привлечения разнообразных методов теоретической радиотехники. Не все из них можно описать аналитически и свести к упрощенным моделям. Поэтому при моделировании таких систем особую роль играют численные электродинамические методы.

Для исследования процессов в системах ВЧ питания ускорителей и ускоряющих структур предложен и программно реализован метод конечных разностей во временной области (РЭТО). Рассмотрены алгоритм и разработанное программное обеспечение для реализации метода конечных разностей во временной области применительно к моделированию резонаторов. Проведен анализ достоинств и недостатков РБТБ-метода при моделировании ускоряющих структур по сравнению с наиболее популярным методом численного электродинамического моделирования - методом конечных элементов. Достоинства метода РБТО - полная инвариантность к сложности геометрии и наглядность результатов моделирования в сочетании с получением достаточно точных количественных характеристик. Основной недостаток, сдерживающий его применение - высокая требовательность к вычислительным ресурсам, особенно быстродействию процессора.

Создана сервисная программная оболочка для управления расчетом, визуализации и сохранения результатов. Предложены методики постпроцессорной обработки результатов - анализ распределения поля, спектральный анализ, расчет входного импеданса, анализ переходных процессов и др. Выполнены оценки необходимых ресурсов ЭВМ и показана реальная возможность решения практически важных задач на современных персональных компьютерах. Доказана применимость метода РБТБ при проектировании резонаторных ускоряющих структур, в том числе: структуры с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой (ПОКФ), структуры с переменно-фазовой фокусировкой (ПФФ), бипериодической структуры линейного ускорителя электронов.

Предложена и реализована процедура, позволяющая учитывать конечную проводимость металла при моделировании резонаторов методом БОТО. Исследована геометрия бипериодической ускоряющей структуры линейного ускорителя электронов с переменными коэффициентами связи на стоячей волне. Показано, что в переходных режимах можно добиться существенного уменьшения отражения от входа структуры. Реализована модель структуры, проведены численное моделирование и экспериментальное исследование.

Предложены и реализованы алгоритмы учета влияния нагрузки пучком на поле резонатора и расчета динамики частиц в мгновенных полях, определяемых РОТБ-методом. Предложен механизм для решения самосогласованной задачи совместного расчета электродинамических полей и динамики частиц.

В целом в работе продемонстрирован новый подход к моделированию электродинамических полей в резонаторных ускоряющих структурах различного типа, заложена методологическая основа для моделирования пучков заряженных частиц в таких полях, а также решены вопросы практического применения разработанных методик и программных комплексов электродинамического моделирования микроволновых систем методом конечных разностей во временной области. Доказана возможность совершенствования основных характеристик ускоряющих структур с помощью приведенных в работе алгоритмов и методик.

1. Ускорители заряженных частиц для промышленности и медицины // Тр. Восьмого Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна: ОИЯИ, 1983. С. 29-37.

2. Линейные ускорители НИИЭФА для лучевой терапии /A.A. Будтов, Ю.П. Бахрушин, Ю.Ю. Кирилин и др.//Вопросы атомной науки и техники. Сер. Электрофизическая аппаратура. 1987. Вып. 23. С. 5-11.

3. Ускоряющая структура линейного ускорителя для медицины ЛУЭР-40М / Ю.П. Бахрушин, М.Ф. Ворогушин, В.Н. Николаев и др. //Вопросы атомной науки и техники. Сер. Техника физического эксперимента. 1983. Вып. 2(14). Харьков. С. 51-54.

4. Ворогушин М.Ф., Малышев В.Н. Высокочастотное питание резонаторных ускорителей прикладного назначения. М.: Энергоатомиздат. 1989.

5. Линейные ускорители ионов / Д.В. Каратников, И.Н. Сливков, В.А. Тепляков и др. М.: Госатомиздат. 1962.

6. Зверев Б.В., Собенин Н.П. Электродинамические характеристики ускоряющих резонаторов. М.: Энергоатомиздат. 1993.

7. Абрамян Е.А. Промышленные ускорители электронов. М.: Энергоатомиздат. 1986.

8. Рябухин Ю.С., Шальнов A.B., Ускореные пучки и их применение. Москва Атомиздат. 1980.

9. Капчинский И.М., Тепляков В.А. Линейный ускоритель ионов с пространственно-однородной жесткой фокусировкой. ПТЭ.1970. №2. С. 1922.

10. Капчинский И.М. Теория линейных резонансных ускорителей. Москва. Энергоатомиздат. 1982.

11. Минаев С.А., Свистунов Ю.А., Силаев С.А. Численное моделирование и экспериментальные исследования трехмерных ВЧ-полей в Н-резонаторах // XV Совещание по ускорителям заряженных частиц. 1998. М.: ИТЭФ. С. 1215.

12. Данилин А.А., Малышев В.Н., Малюхов М.В., Четвериков И.О. Моделирование нестационарного электромагнитного поля вибратора методом FDTD // Тезисы докладов 54 НТК НТО РЭС. С-Пб. 1999. С. 6.

13. Масленников О.Л., Терентьев В.В., Четвериков И.О. Применение метода конечных элементов при изготовлении структуры линейного ускорителя электронов // XVII Совещание по ускорителям заряженных частиц. Протвино: ИФВЭ, 2000. С. 54.

14. Chetverikov I. О., Malukhov М. V. Broadcasting Antenna Array Design and optimization by Genetic Algorithm // Proc. XXVIII Moscow Int. Conf. on Antenna Theory and Technology. 1998. P. 333-335.

15. Keller J.B. Geometric Theory of Difraction // J Opt. Soc. Am., vol.52, 1962. P.116-130.

16. Harrington R. F. Field Computation by Moment Methods. The Macmillan Co., New York, 1968.

17. Вычислительные методы в электродинамике / Под редакцией Р. Миттры. Москва, "Мир", 1997.

18. Madsen N.K., Ziolkowski R.W. A three-dimensional modified finite volume technique for Maxwell's equations Electromagnetic // vol. 10, no. 1-2, 1990. P. 147-161.

19. Johns P. B. A Symmetrical Condensed Node for the TLM Method // IEEE Trans.Microwave Theory Tech., vol. MTT-35, Apr. 1987. P. 370-377.

20. Lynch D. R., Paulsen K. D., Origin of Vector Parasites in Numerical Maxwell Solutions // IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., vol. MTT-39, March 1991,P. 383-394.

21. Paulsen К. D., Lynch D. R. Elimination of Vector Parasites in Finite Element Maxwell Solutions // IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., vol. MTT-39, March 1991,P. 395-404.

22. Силаев С. А. Исключение ложных видов колебаний при решении трехмерных спектральных задач электродинамики методом конечных элементов // Радиотехника и электроника. 1996. Т. 41, №4. С. 404-411.

23. Silvester P. P., Ferrari R. L. Finite Elements for Electrical Engineers. 2nd Ed. Cambridge University Press, Cambridge, 1990.

24. Силаев С. А. Разработка методов моделирования электромагнитных полей и устройств и их применение для анализа электровакуумных приборов. С-Петербург. 1997.

25. Силаев С. А. Решение трехмерных внутренних задач электродинамики методом конечных элементов // Электронная техника. Сер. Электровакуумные и газоразрядные приборы. 1992. Вып.З. С. 25-30.

26. Silaev S. A. Isoparametric finite element analysis of time-harmonic electromagnetic fields in three dimensions // Nucl. Instr. and Meth. 1993 Vol. A328. P. 535-541.

27. Shlager K. L., Schneider J. B. A Selective Survey of the Finite-Difference TimeDomain Literature // IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 37, no. 4, 1995. P. 39-56.

28. Данилин A.A., Егуртов В.И., Малышев B.H., Малюхов М.В., Четвериков И.О. Электродинамическое моделирование методом конечных разностей во временной области. СПб.: Изд. СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2000.

29. Chetverikov I.O., Malukhov M.V., Malyshev V.N., A Finite-Difference TimeDomain Approach to Resonant Accelerator Cavity Modeling // Proc. of IEEE Members. St. Peterburg, ETU 2000. C. 42-45.

30. Малышев B.H., Малюхов M.B., Четвериков И.О. Моделирование нестационарного электромагнитного поля в резонаторах методом FDTD // Тезисы докладов 55 НТК НТО РЭС. С-Пб. 2000. С. 10-11.

31. Yee K. S. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1966. Vol. AP-14. P. 302-307.

32. Taflove A., Brodvin M.E. Numerical solution of steady-state electromagnetic scattering problem using time-dependent Maxwell's equations // IEEE Trans, on Antennas and Propagation. 1975. Vol. AP-23. P. 623-630.

33. Mur G. Absorbing boundary conditions for the finite-difference approximation of the time-domain electromagnetic field equations // IEEE Trans. Electromagn. Compat. 1981. Vol. EMC-22. P. 377-382.

34. Engquist B., Majda A. Absorbing boundary conditions for the numerical simulation of waves // Math. Comp. 1977. Vol. 31. P. 629-651.

35. Ramahi O. M., Khebir A., Mittra R. Numerically derived absorbing boundary condition for the solution of the open region scattering problems // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1991. Vol. 39. P. 350-353.

36. Tirkas P.A., Balanis C.A., Renaut R.A. Higher-order absorbing boundary conditions for the finite-difference time-domain method // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1992. Vol. 40. P. 1215-1222.

37. Mei K. K., Fang J. Superabsorbtion method to improve absorbing boundary condition // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1992. Vol. 40. P. 1001-1010.

38. Suk-Oh K., Schutt-Aine J. E. An efficient implementation of surface impedance boundary conditions for the finite-difference time-domain method // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1995. Vol. 43. P. 660-666.

39. Yee K. S., Chen J. S. Impedance boundary condition simulation in the FDTD/FVTD hybrid // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1997. Vol. 45. P. 921925.

40. Holland R. FDTD analysis of nonlinear magnetic diffusion by reduce c // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1995. Vol. 43. P. 653-659.

41. Tirkas P. A., Demarest K.R. Modelling of thin dielectric structures using the finite-difference time-domain technique // IEEE Trans, on Antennas and Propagation. 1991. Vol. 39. P. 1338-1344.

42. FDTD analysis of electromagnetic wave radiation from systems containing horn antennas / D. S. Katz, M. J. Piket-May, A. Taflove, K. R. Umashankar // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1991. Vol. 39. P. 1203-1211.

43. Tirkas A., Balanis C. A. Contour path FDTD method for analysis of pyramidal horn with composite inner E-plane walls // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1994. Vol. 42. P. 1476-1483.

44. Holland R. Finite-difference solutions of Maxwell's equations generalized nonorthogonal coordinates // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1983.Vol. NS-30. P. 45894591.

45. Fusco M. FDTD algorithm in curvilinear coordinates // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1990.Vol. 38. P. 76-89.

46. Fusco M., Smith M. V., Gordon L. W. Three-dimensional FDTD algorithm in curvilinear coordinates // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1991.Vol. 39. P. 14631471.

47. Yee K. S., Chen J. S. Conformal hybrid finite difference time domain and finite volume time domain // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1994. Vol. 42. P. 14501455.

48. Yee K. S., Chen J. S., Chang A. H. Conformal finite-difference time-domain with overlapping grids // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1992. Vol. 40. P. 1068-1075.

49. Navarro A., Nunez M. J., Martin E. Finite difference time domain FFT method applied to axially symmetrical electromagnetic resonant devices // IEE Proc. H, Microw. Antennas Propag., vol. 137, no. 3, 1990. P. 193-196.

50. Navarro A., Nunez M. J., Martin E., Study of TE and TM modes in dielectric resonators by a finite difference time-domain method coupled with the discrete fourier transform // IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 39, no. 1, 1991. P. 14-17.

51. Wang C., Gao B. Q., Ding C. P. Q factor of a resonator by the finite-difference time-domain method incorporating perturbation techniques // Electron. Lett., vol. 29, no. 21, 1993. P. 1866-1867.

52. Scott D. N. EM modeling of the FXR accelerator cavity // Electromagnetics & Diagnostics Group Electronics Engineering, http://www.llnl.gov/.

53. Maloney J. G., Smith G. S., Scott W. R. Accurate computation of the radiation from simple antennas using the finite-difference time-domain method // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1990. Vol. 38-7. P. 1059-1068.

54. Boonzaaier J. J., Pistorius C. W. Thin wire dipoles A finite-difference timedomain approach // Electron. Lett. 1990. Vol. 26-22. P. 1891-1892.

55. Tirkas P. A., Balanis C. A. Finite-difference time-domain method for antenna radiation // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1992. Vol. 40-3. P. 334 340.

56. Sui W., Christensen D. A., Durney C. H. Extending the two-dimensional FD-TD method to hybrid electromagnetic systems with active and passive lumped elements // IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 40, no. 4, 1992. P. 724730.

57. Toland B., Houshmand B., Itoh T. Modeling of nonlinear active regions with the FDTD method // IEEE Microwave Guided Wave Lett., vol. 3, no. 9, 1993. P. 333-335.

58. Luebbers R., Beggs J., Chamberlin K. Finite-difference time-domain calculations of transients in antennas with nonlinear loads // IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 41, no. 5, 1993. P. 566-573.

59. Piket-May M., Taflove A., Baron J. FD-TD modeling of digital signal propagation in 3-D circuits with passive and active loads // IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 42, no. 8, 1994. P. 1514-1523.

60. Scott D. N. EM modeling for GPIR using 3D FDTD modeling codes. Defense Sciences Engineering Division, Electronics Engineering, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California, 94550, http://www.llnl.gov/.

61. Toftgerd J., Hornsleth S. N., Andersen J. B. Effects on portable antennas of the presence of a person // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1993. Vol. 41-6. P. 739746.

62. Jensen M. A., Rahmat-Samii Y. EM interaction of handset antennas and a human in personal communications // Proc. of the IEEE. 1995. Vol. 83-1. P. 7-17.

63. Chen H. Y., Wang H. H. Current and SAR induced in a human head model by electromagnetic fields irradiated from a cellular phone // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1994. Vol. 42-12. P. 2249-2254.

64. Calculation of the electromagnetic fields induced in the head of an operator of a cordless telephone / L. Martens, J. De Moerloose, D. De Zutter et al. // Radio Sci. 1995. Vol. 30-1. P. 283-290.

65. Dimbylow P. J., Gandhi O. P. Finite-Difference Time-Domain Calculations of SAR in a realistic heterogeneous model of the head for plane-wave exposure from 600 MHz to 3 GHz // Phys. Med. Biol. 1991. Vol. 36. P. 1075-1089.

66. Ворогушин М.Ф., Малышев B.H., Малюхов M.B., Свистунов Ю.А., Четвериков И.О. Применение метода FDTD для электродинамического моделирования резонаторных ускоряющих структур // XVII Совещание по ускорителям заряженных частиц. Протвино: ИФВЭ, 2000. С. 30.

67. Исследование нестационарных процессов в Н-резонаторах с учетом нагрузки пучком методом FDTD. Отчет НИР // СПбГЭТУ Каф. ТОР. Руководитель работы: Малышев В.Н., 2001г.

68. Holland R. Finite-difference time domain EMP code in 3D spherical coordinates // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1983. Vol.30. P. 4592-4595.

69. Вальднер О.А., Власов А.Д., Шальнов A.B. Линейные ускорители. М.: Атомиздат. 1969.

70. Справочник по диафрагмированным волноводам. О.А. Вальднер, Н.П. Собенин, Б.В. Зверев М.: Атомиздат. 1977.

71. Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей; В 3-х томах; Т-3. М.: Энергоатомиздат. 1983.- 149

72. Четвериков И.О. Моделирование переходных процессов в системе связанных цилиндрических резонаторов // Тезисы докладов 57 НТК НТО РЭС. С-Пб. 2001. С. 6-7.

73. Cornacchia M. Wave propagation and transient beam loading in alternating periodic structures //Nuclear Instruments and Methods vol. 94. 1971. P. 109-123.

74. Орлов A.K. Переходной процесс в цепочке связанных резонаторов // Препринт В-0406. НИИЭФА. Л.: 1979.

75. Knapp Е.А. High Energy Structures / Linear Accelerator // North-Holland Publishing Company, Amsterdam. 1970. P. 601-616.

76. Линейные ускорители ионов. T.2. Основные системы. / Под ред. Б.П. МуринаМ.: Атомиздат. 1978.

77. Фрайнберг Я.Б. Теория и расчет линейных ускорителей. М.: Госатомиздат, 1962.

78. Рошаль А.С. Моделирование заряженных пучков. М.: Атомиздат, 1979.