1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Журнал вычислительной математики и математической физики
  4. T. 63, № 8, 2023

Журнал вычислительной математики и математической физики, 2023, T. 63, № 8, стр. 1354-1366

Моделирование эмиссионных процессов в сильных электромагнитных полях

Т. А. Кудряшова 1, *, С. В. Поляков 1, **, Н. И. Тарасов 1, ***

1 ИПМ им. М.В. Келдыша РАН
125047 Москва, Миусская пл., 4, Россия

* E-mail: kudryashova@imamod.ru
** E-mail: polyakov@imamod.ru
*** E-mail: nikita_tarasov@imamod.ru

Поступила в редакцию 25.02.2023
После доработки 14.03.2023
Принята к публикации 28.04.2023

Аннотация

Рассмотрена проблема расчета процессов электронной эмиссии с поверхности металлов при сильных электромагнитных полях с учетом релятивистских эффектов. Одним из методов моделирования в данной области является метод частиц, сочетающийся с сеточным расчетом полей на основе уравнений Максвелла. Подобные методики развиваются с 1960-х годов по настоящее время. При этом существующие подходы все еще имеют определенные ограничения. В настоящей работе для аксиально-симметричной геометрии, генерирующей системы, представлена новая численная методика моделирования процессов эмиссии электронов с поверхности металлических катодов. Методика использует представление крупных сглаженных гауссовых частиц и реализует расчеты электромагнитных полей на декартовых пространственных сетках. Программная реализация ориентирована на параллельные вычисления. Целью численных экспериментов было определение параметров электронной эмиссии. В качестве тестовых задач были выбраны диодные и триодные цилиндрические системы. В численных расчетах получены пространственно-временные характеристики релятивистских электронных пучков, порождаемых эмиссионными процессами, в том числе воспроизведен ток Чайлда–Ленгмюра. Разработанная численная методика подтвердила свою корректность и эффективность. Библ. 42. Фиг. 7.

Ключевые слова: электронная эмиссия, сильные электромагнитные поля, сеточные методы, методы частиц, параллельные вычисления.

Список литературы

  1. Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1988. С. 272.

  2. Кербер М.Л. Полимерные композиционные материалы. Структура. Свойства. Технологии. СПб.: Профессия, 2008. С. 560.

  3. Рухадзе A.A., Богданкевич Л.C., Росинский C.E. Физика сильноточных релятивистских электронных пучков. М.: Атомиздат, 1980. С. 167.

  4. Миллер Р. Введение в физику сильноточных пучков заряженных частиц. М.: Мир, 1984. С. 432.

  5. Бойко В.И., Евстигнеев В.В. Введение в физику взаимодействия сильноточных пучков заряженных частиц с веществом. М.: Энергоатомиздат, 1988. С. 136.

  6. Месяц Г.А. Эктоны. Екатеринбург: УИФ “Наука”, 1993. С. 183.

  7. Диденко А.Н., Юшков Ю.Г. Мощные СВЧ-импульсы наносекундной длительности. М.: Энергоатомиздат, 1984. С. 112.

  8. Воронков С.Н., Лоза О.Т., Стрелков П.С. Ограничение длительности импульса излучения СВЧ генераторов на микросекундных РЭП // Физика плазмы. 1991. Т. 17. Вып. 6. С. 751–760.

  9. Бугаев С.П., Литвинов Е.А., Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. Взрывная эмиссия электронов // УФН 1975. Т. 115. С. 101–120.

  10. Месяц Г.А. Взрывная электронная эмиссия. М.: Физматлит, 2011. С. 280.

  11. Херинг К., Никольс М. Термоэлектронная эмиссия. М.: Изд-во иностр. лит., 1950. С. 196.

  12. Шешин Е.П. Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов. М.: Изд-во МФТИ, 2001. С. 288.

  13. Иванов О.А., Лобаев М.А., Чернов В.В. и др. Экспериментальное исследование сильноточных катодов на основе алмазных пленок в составе мощного компрессора сверхвысокочастотных импульсов // Изв. вузов. Радиофизика. 2014. Т. LVII. № 10. С. 797–806.

  14. Митра Р. (ред.) Вычислительные методы в электродинамике. М.: Мир, 1977. С. 485.

  15. Birdsall C.K., Langdon A.B. Plasma Physics via Computer Simulation. New-York, McGraw-Hill book, 1985. P. 479.

  16. Taflove Allen, Hagness Susan C. Computational Electrodynamics. The Finite-Difference Time-Domain Method. Third Ed. Artech House. 2005. P. 1038.

  17. Inan U.S., Marshall R.A. Numerical Electromagnetics. The FDTD Method. Edinburgh, Cambridge (UK), Cambridge Univ. Press, 2011. P. 406.

  18. Григорьев А.Д. Методы вычислительной электродинамики. М.: Физматлит, 2012. С. 432.

  19. Программное обеспечение COMSOL Multiphysics URL: https://www.comsol.ru/comsol-multiphysics

  20. Официальный сайт компании ANSYS Inc. URL: http://www.ansys.com/

  21. Tarakanov V.P. User’s Manual for Code KARAT. Springfield, VA: Berkeley Res. VA, 1992. C. 262.

  22. Программное обеспечение MEEP. URL: https://meep.readthedocs.io/en/latest/Materials/

  23. Kane Yee. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell’s equations in isotropic media // IEEE Transact. Anten. Propagat. 1966. V. 14. №. 3. P. 302–307.

  24. Benford J., Swegle J., Schamiloglu E. High Power Microwaves. Taylor & Francis, New York, 2nd ed. 2007. P. 1–12.

  25. Харлоу Ф.Х. Численный метод частиц в ячейках для задач гидродинамики. Вычислительные методы в гидродинамике. М.: Мир, 1967. С. 316–342.

  26. Дьяченко В.Ф. О расчетах задач бесстолкновительной плазмы // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 1985. Т. 25. № 4. С. 622–627.

  27. Григорьев Ю.Н., Вшивков В.А., Федорук М.П. Численное моделирование методами частиц в ячейках. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. С. 358.

  28. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука, 1982. С. 370.

  29. Садин Д.В. Эффективная реализация гибридного метода крупных частиц // Матем. моделирование. 2022. Т. 34. № 4. С. 113–127.

  30. Birsdall C.K., Fuss D. Clouds-in-clouds, clouds-in-cells physics for many-body plasma simulation // J. Comp. Phys. 1969. V. 3. Iss. 4. P. 494–511.

  31. Jianguo Wang, Dianhui Zhang, Chunliang Liu, Yongdong Li, Yue Wang, Hongguang Wang, Hailiang Qiao, Xiaoze Li. UNIPIC code for simulations of high power microwave devices // Phys. Plasm. 2009. № 16. P. 1–11.

  32. Monaghan J.J. An introduction to SPH. // Comp. Phys. Comm. 1988. V. 48. P. 88–96.

  33. Добрецов Л.Н. Электронная и ионная эмиссия. М.-Л., 1952. С. 312.

  34. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992. С. 536.

  35. Lisovskiy V., Yegorenkov V. Validating the collision-dominated Child-Langmuir law for a dc discharge cathode sheath in an undergraduate laboratory // Europ. J. Phys. 2009. V. 30. № 6. P. 1345–1351.

  36. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. М.: Наука, 1989. С. 432.

  37. Official documentation and manuals on MPI. [Online]. Available from: http://mpi-forum.org/

  38. Official documentation and manuals on OpenMP. [Online]. Available from: http://www.openmp.org, http://www.llnl.gov/computing/tutorials/openMP

  39. Smith B.F. Domain Decomposition Methods for Partial Differential Equations / In: Keyes, D.E., Sameh, A., Venkatakrishnan, V. (eds) Parallel Numerical Algorithms. ICASE/LaRC Interdisciplinary Series in Science and Engineering, V. 4. Springer, Dordrecht, 1997. P. 225–243.

  40. Dolean V., Jolivet P., Nataf F. An Introduction to Domain Decomposition Methods: algorithms, theory and parallel implementation. Master. France. 2015. P. 289. https://hal.science/cel-01100932v6

  41. Alakeel A.A. Guide to Dynamic Load Balancing in Distributed Computer Systems // Inter. J. Comp. Sci. Network Security (IJCSNS). 2009. V. 10. № 6. P. 153–160.

  42. Sanders P., Mehlhorn K., Dietzfelbinger M., Dementiev R. Sequential and parallel algorithms and data structures: the basic toolbox. Springer Nature, Cham (Switzerland), 2019. P. 516.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Журнал вычислительной математики и математической физики

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал