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PARTICLE STUDIOによる
凹型コレクタのシミュレーション
シミュレーション対象の凹型コレクタは、融合自由電子メーザー（FEM）のビームエネルギーとリカバリーシステムの一部を成すもので、ビームを集めると同時に二次電子のバックストリームを抑制する働きをします。したがってコレクタの設計では、二次電子が電極の背後に向かって加速して行くような設計にします。 以下はPARTICLE STUDIOを使用したシミュレーション事例です。 下の図1はシミュレーション結果からコレクタ内部のポテンシャル分布と電磁界分布を示したものです。
図1: コレクタのポテンシャル分布（左）と電界分布（右）
電界の値はアローのサイズと色によって示されます。
アローの向きは電界の向きを表します。
PARTICLE STUDIOのシミュレーションによる軌道プロット（図2）から、進入した電子ビームが電界によって減速されているのが分かります。 このコレクタでは、設計上の原因から、ビーム軌道は電極の背面で終わっています。 電極に当たった一次粒子が二次電子を生成しますが、この二次電子はその発生源に落ちてしまい、戻ることはありません。
図2: PARTICLE STUDIOでシミュレーションされたビーム軌道
PARTICLE STUDIOでは、この二次電子放出をFurman[1]による完全なprobabilistic モデルとして実装しています。 この自己矛盾の無いモデルは、二次電子放出の組み入れを運動エネルギーと一次電子の入射角度を考慮して行います。モデルは、材質プロパティの編集によって容易にシミュレーションに設定することができます。
図3: 初期エネルギー値の変化によるビーム軌道の違い
初期ビームエネルギーを4通りに変えて、凹型コレクタに生じる違いを調べました。図3に示したのはシミュレーションをPARTICLE STUDIOで再現した結果のビーム軌道です（Pulsar PhysicsのM.J.de Loos、S.B.van der Geer両氏のご好意による）。このPARTICLE STUDIOによる結果は、図4に示すGPTの結果と非常によく一致しています。画像にはコレクタの機能がはっきりと写し出されています。 初期エネルギー値が高いほどビームがコレクタの深部まで達し、次のステージが使用されます。
図4: GPTによるビーム軌道[2]
- 参考文献：
- [1] M. A. Furman and M. T. F. Pivi, "Probabilistic model for the simulation of secondary electron emission", Physical Review Special Topics, Accelerators and Beams, Volume 5, 2002.
- [2] M. J. de Loos, S. B. van der Geer Pulsar Physics, Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Res., Vol. 139, 1997.