Αριθμητική Προσομοίωση Λειτουργίας Γεννήτριας Vircator

Abstract

Η παρούσα εργασία παρουσιάζει την αριθμητική προσομοίωση λειτουργίας μιας γεννήτριας vircator με μεθοδολογία EM-PIC, στοχεύοντας στη σαφή τεκμηρίωση του μηχανισμού σχηματισμού και ταλάντωσης της εικονικής καθόδου και στη βελτιστοποίηση της μικροκυματικής εκπομπής μέσω ελεγχόμενου χρονισμού της εκπομπής ως προς τον κυρίαρχο ιδιορρυθμό της κοιλότητας. Τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία ολοκληρώνονται με FDTD στο πλέγμα Yee, η προώθηση των σωματιδίων γίνεται με τον σχετικιστικό αλγόριθμο Boris και η απόθεση ρεύματος εφαρμόζεται με σχήμα που διασφαλίζει τη διατήρηση του φορτίου. Τα ανοιχτά όρια υλοποιούνται με CPML και η μέτρηση της εξερχόμενης ισχύος γίνεται σε επίπεδο Poynting πριν τον απορροφητή. Πριν από τα πλήρη σενάρια εφαρμόστηκε τυποποιημένο στάδιο επαλήθευσης και επικύρωσης, ώστε να διασφαλιστούν η σταθερότητα, ορθότητα και αναπαραγωγιμότητα. Η κύρια διερεύνηση ορίζει ως μεταβλητή βελτιστοποίησης την καθυστέρηση εκπομπής έναντι της φάσης του ιδιορρυθμού και αξιολογεί την απόδοση μέσω του ολοκληρώματος της εξερχόμενης ισχύος. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι ο συγχρονισμός κοντά στο τεταρτοκύκλιο της σταθεροποιεί την εικονική κάθοδο, μειώνει την άσκοπη παλινδρόμηση των σωματιδίων και αυξάνει την καθαρή ροή που τροφοδοτεί τον ιδιορρυθμό, οδηγώντας σε μεγαλύτερη εξερχόμενη ενέργεια χωρίς τη μετατόπιση της κύριας φασματικής κορυφής από το 𝑓0. Συζητούνται οι αριθμητικοί περιορισμοί και προτείνονται επεκτάσεις σε τρισδιάστατα πειράματα, τοπική προσαρμοστική διακριτοποίηση και συνεκτική σύζευξη με κυματοδηγούς και παλμικά κυκλώματα. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε είναι τεκμηριωμένη, επαληθεύσιμη και εφαρμόσιμη σε ρεαλιστικές αρχιτεκτονικές μικροκυμάτων υψηλής ισχύος.