Towards the formulation of a realistic 3D model for simulation of magnetron injection guns for gyrotrons (a preliminary study)

Fortschritte in der Formulierung eines realistischen 3D-Modells für die Simulation von Elektronenkanonen für Gyrotrons (Eine vorläufige Studie)
Numerische Experimente, die auf adäquaten, selbst-konsistenten physikalischen Modellen basieren, werden in einem breiten Umfang für das computerunterstützte Design (CAD), die Analyse und Optimierung von elektronenoptischen Systemen von Gyrotrons eingesetzt.
Ein wesentlicher Teil des benötigten physikalischen Modells ist das Emissionsmodell, d.h. die Beschreibung des vom Emitter erzeugten Strahlstroms sowie die Energieverteilung und die räumliche und winkelabhängige Verteilung der emittierten Elektronen.
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In dieser Arbeit präsentieren wir eine Zusammenfassung der grundlegenden Theorie, die wesentlichen Formeln und eine Diskussion der wichtigsten Faktoren für die Inhomogenität der Emission und der Geschwindigkeitsstreuung. Zusätzlich wird ein Überblick über die in verschiedenen Ray-Tracing und Particle-In-Cell (PIC) Codes eingesetzten Emissionsmodelle geliefert und eine allgemeine Formulierung eines dreidimensionalen Emissionsmodells präsentiert, das auf der Zerlegung der kathodennahen Region durch eine Anzahl entsprechender Diodensegmente basiert.
Wir glauben, dass diese Zusammenfassung bei der Entwicklung neuer Programm-Module zur Berechnung der Elektronen-Anfangsverteilung sehr hilfreich sein wird. Damit können sowohl bereits existierende zweidimensionale Computerprogramme, als auch neu zu entwickelnde dreidimensionale Simulationswerkzeuge ausgestattet werden

Numerical experiments based on adequate, self-consistent physical models implemented in simulation codes are widely used for computer-aided design (CAD), analysis and optimization of the electron optical systems (EOS) of the gyrotrons. An essential part of the physical model is the emission model, i.e., the relations that govern the value of the beam current extracted from the emitter as well as its energy spectrum, spatial and angular distribution. In this paper, we present a compendium of the basic theory, the most essential formulas and discuss the most important factors responsible for the nonuniformity of the emission and velocity spread. ... mehrWe also review the emission models realized in various ray-tracing and Particle-In-Cell (PIC) codes and present a general formulation of a 3D emission model based on the principle of decomposition of the region near the cathode to a set of equivalent diodes. It is believed that the information summarized in this compendium will be helpful for the development of novel modules for calculation of the initial distribution in both the available 2D computer programs that are being upgraded now and in the novel 3D simulation tools development of which is in progress now.