Расчет напряженности электрических полей при моделировании интенсивных пучков заряженных частиц в сложных 2D областях

Авторы

  • А. Н. Kозырев Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН) https://orcid.org/0009-0003-2046-9412
  • В. М. Свешников Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН) https://orcid.org/0000-0003-0555-8583

DOI:

https://doi.org/10.26089/NumMet.v25r102

Ключевые слова:

интенсивные пучки, приближающая функция, квазиструктурированная сетка, метод наименьших квадратов

Аннотация

В задачах моделирования интенсивных пучков заряженных частиц, движущихся в областях со сложной конфигурацией границ, точность вычислений траекторий существенно зависит от точности расчета электрических полей. В статье представлены разработанные алгоритмы расчета напряженности электрических полей в расчетных точках траекторий на адаптивных квазиструктурированных сетках. Особое внимание уделено расчетам вблизи криволинейных границ во избежание фатальных ошибок, приводящих к оседанию пучка на стенки моделируемого прибора. Для этого предложены специальные приближающие функции, которые строятся в граничных и приграничных узлах сетки на основе метода наименьших квадратов. Рассмотрены часто встречающиеся случаи, когда на отрезках границы задаются постоянные значения потенциала или его нормальной производной, для которых разработанный подход, как показывают результаты численных экспериментов, значительно повышает точность расчетов.

Авторы

А. Н. Kозырев

Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН),
просп. Лаврентьева, 6, 630090, Новосибирск
• научный сотрудник

В. М. Свешников

Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН),
просп. Лаврентьева, 6, 630090, Новосибирск
• главный научный сотрудник

Библиографические ссылки

  1. V. A. Syrovoy, Introduction to the Theory of Intense Beams of Charged Particles (Energoatomizdat, Moscow, 2004) [in Russian].
  2. E. Munro, “Numerical Simulation Methods for Electron and Ion Optics, ’’ Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Section A. 645 (1), 266-272 (2011).
    doi 10.1016/j.nima.2010.11.181
  3. V. M. Sveshnikov, Numerical Modeling of Intense Charged Particle Beams , Doctoral Thesis in Physics and Mathematics (Inst. Comput. Math. Math. Geophys., Novosibirsk, 2006) [in Russian].
  4. V. P. Ilyin, Numerical Methods for Solving Problems in Electrophysics (Nauka, Moscow, 1985) [in Russian].
  5. Comsol.
    https://www.comsol.com . Cited January 27, 2024.
  6. ANSYS.
    https://www.ansys.com . Cited January 27, 2024.
  7. Opera.
    https://www.3ds.com/ru/produkty-i-uslugi/simulia/produkty/opera . Cited January 27, 2024.
  8. V. T. Astrelin, M. S. Vorobyov, A. N. Kozyrev, and V. M. Sveshnikov, “Numerical Simulation of the Operation of a Wide-Aperture Electron Gun with a Grid Plasma Emitter and Beam Output into the Atmosphere,” Zh. Prikl. Mekh. Tekh. Fiz. 60 (5), 3-12 (2019) [J. Appl. Mech. Tech. Phys. 60 (5), 785-792 (2019)].
    doi 10.1134/S0021894419050018
  9. A. N. Kozyrev and V. M. Sveshnikov, “Mathematical Modeling of Intense Charged Particles Beams in Extended Electron-Optical Systems,” Mat. Model. 34 (3), 71-84 (2022).
    doi 10.20948/mm-2022-03-04
  10. A. N. Kozyrev and V. M. Sveshnikov, “On the Construction of Two-Dimensional Local-Modified Quasistructured Grids and Solving on Them Two-Dimensional Boundary Value Problem in the Domains with Curvilinear Boundary,” Vestn. Yuzhn. Ural. Gos. Univ. Ser. Vychisl. Mat. Inf. 6 (2), 5-21 (2017).
    doi 10.14529/cmse170201
  11. R. W. Hamming, Numerical Methods for Scientists and Engineers (McGraw-Hill, New York, 1962; Nauka, Moscow, 1972).
  12. G. I. Marchuk, Selected Works , Vols. 1-3(Ross. Akad. Nauk, Moscow, 2018) [in Russian].
  13. S. I. Molokovsky and A. D. Sushkov, Intensive Electron and Ion Beams (Energoatomizdat, Moscow, 1991) [in Russian].
  14. I. V. Aliamovskii, Electron Beams and Electron Guns (Sovetskoe Radio, Moscow, 1966) [in Russian].
  15. V. M. Sveshnikov, “Calculation of the Intensive Charged Particle Beams with Increased Accuracy,” Proc. SPIE. 5398, 34-50 (2004).
  16. D. O. Belyaev, A. N. Kozyrev, and V. M. Sveshnikov, “Program Package ERA-DD for Solving Two-Dimensional Boundary Value Problems on Quasi-Structured Grids,” Vestn. Novosib. Gos. Univ., Ser. Inform. Tekhnol. 8 (1), 3-11 (2010).
  17. A. N. Kozyrev and V. M. Sveshnikov, Software Package for Calculating Intense Beams of Charged Particles on Quasi-Structured Grids , Certificate of RF Computer Program Registration No. 2 014 618 881. Date of Registration: September 1, 2014.

Загрузки

Опубликован

06-02-2024

Как цитировать

Kозырев А.Н., Свешников В.М. Расчет напряженности электрических полей при моделировании интенсивных пучков заряженных частиц в сложных 2D областях // Вычислительные методы и программирование. 2024. 25. 10-18. doi 10.26089/NumMet.v25r102

Выпуск

Раздел

Методы и алгоритмы вычислительной математики и их приложения