Numerical simulation of stationary charged particle flow dynamics in diodes

Abstract

Численное моделирование сегодня стало одним из наиболее эффективных средств для изучения плазмы и динамики потоков заряженных частиц в эмитирующих установках, таких как ускорители, электронные и ионные источники. В основе большинства используемых алгоритмов для проведения численных экспериментов в данной области лежат различные методы частиц, в которых пучки представляются как набор большого количества модельных частиц. Существенным недостатком методов данной группы является появление счетных нефизических шумов, приводящих к искажению решения. Причин возникновения шумов много и в настоящее время нет единого подхода к решению данной проблемы. В настоящей работе рассматривается решение самосогласованной задачи моделирования интенсивного потока заряженных частиц в плоском диоде итерационным методом с моделью трубок тока и методом частиц в ячейках. Изучается влияние методов подавления счетного шума, а также способа начальной дискретизации модельных частиц на решения, получаемые с помощью различных методов частиц.

Numerical simulations today have become one of the most effective tools for studying plasma and particle flows dynamics in the emitting devices such as particle accelerators, electron and ion sources. The basis of most used algorithms for numerical studies in this field is various particle methods, in which particle flows are simulated as a set of a large number of model particles. A significant drawback of particle-based methods is the occurrence of non-physical numerical noise, resulting in a distortion of the solution. The origins of noise are various and there is no general approach to solving this problem now. This paper describes self-consistent simulations of intensive particle flow in planar diode with iterative particle tracking method and particle-in-cell method. The effect of the noise reduction methods and initial particle loading model on the solution obtained by various particle methods is estimated.