x-band rf 電子銃の シミュレーション

X-BAND RFX-BAND RF 電子銃の電子銃のシミュレーションシミュレーション

秋田工業高等専門学校秋田工業高等専門学校山本昌志山本昌志

東京大学　原子力工学研究施設東京大学　原子力工学研究施設上坂充上坂充

2006.12.7 　高輝度電子銃シミュレーション研究会　 @ 京大

加速器開発用コードの開発

秋田工業高等専門学校秋田工業高等専門学校山本昌志　研究室の学生山本昌志　研究室の学生

Part 1Part 1

X-BAND RFX-BAND RF 電子銃のシミュレーショ電子銃のシミュレーションン

RFRF 電子銃の設計に用いたコード電子銃の設計に用いたコード333

31

4

11.424GHz11.424GHz 3.53.5 セルセル モード加速モード加速 同軸カップラー同軸カップラー 熱カソード熱カソード

MW-Studio

CFISH

SUPERFISH

POISSON

GPT

ビームシミュレーション

加速モード加速モード周波数 11.424 GHzQ 値 9342

RF 電力 5.5 MWカソード面電場 158 MV/m最大電場 244 MV/m最大磁場 334654 A/m

ビームトラッキングビームトラッキング 計算条件計算条件

• カソードカソード 3.4 mm3.4 mm 　　 20 pC/bunch20 pC/bunch• 空洞入力電力　空洞入力電力　 6.0 MW6.0 MW• 集束磁石は、ピーク集束磁石は、ピーク 0.36 T0.36 T

General Particle Tracer (GPT)General Particle Tracer (GPT)• 粒子トラッキングは、粒子トラッキングは、 33 次元。粒子数は、次元。粒子数は、 1000010000 個。個。• 空間電荷効果は、メッシュを使った方法空間電荷効果は、メッシュを使った方法 (PIC(PIC ではなではな

いい )) 。。• 電磁場は、電磁場は、 POISSON/SUPERFISHPOISSON/SUPERFISH の結果を取り込む。の結果を取り込む。• アルファー磁石やスリットのエレメントを追加アルファー磁石やスリットのエレメントを追加

加速の様子加速の様子

RFRF 電子銃出口の様子電子銃出口の様子 (150mm)(150mm)

N(nmacro) = 3025

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4GPT x [mm]

-0.02

-0.01

0.00

0.01

0.02

Be

ta_

x

position=0.15

3.66 3.68 3.70 3.72 3.74GPT Energy [MeV]

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Inte

nsity

アルファ磁石内の軌道アルファ磁石内の軌道 GPTGPT にアルファ磁石とスリットのエレメントを追加にアルファ磁石とスリットのエレメントを追加 シングルバンチシングルバンチ

GPTGPT の特徴の特徴 電磁場は他のコードから電磁場は他のコードから 空間電荷効果空間電荷効果 (( 二次元，三次元二次元，三次元 )) ユーザー定義のエレメントと解析を追加ユーザー定義のエレメントと解析を追加

することが可能することが可能 GUIGUI を用いた計算結果のグラフ化を用いた計算結果のグラフ化

通常の設計であれば， PARMELA よりも使いやすい

GPTGPT の問題点の問題点 空間電荷効果空間電荷効果

• point to point method point to point method 計算時間がかかる計算時間がかかる 境界条件が設定できない境界条件が設定できない (( 現在は無限に広い空間現在は無限に広い空間 ))

• mesh method (PICmesh method (PIC 法ではない法ではない )) 空洞形状に応じた境界条件が設定できない。空洞形状に応じた境界条件が設定できない。 構成するバンチの粒子のエネルギーが大きく異なる構成するバンチの粒子のエネルギーが大きく異なる

場合，誤差が大きい。場合，誤差が大きい。 ウェークフィールドの計算ができない。ウェークフィールドの計算ができない。

• ビームローディングビームローディング• その他その他

DCDC 電子銃のシミュレーション電子銃のシミュレーションおまけ

GPTGPT の計算結果の計算結果

time=1.3e-009

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

GPT z [mm]

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

r [mm

]

まとめまとめ

GPTGPT とと SUPERFISHSUPERFISH を使って，を使って， RFRF 電子銃電子銃のかなりのシミュレーションは可能。のかなりのシミュレーションは可能。

GPTGPT でで PICPIC 法の計算ができると，満足で法の計算ができると，満足できるビームトラッキングができる。きるビームトラッキングができる。

次の組み合わせで、リニアック全体のシミ次の組み合わせで、リニアック全体のシミュレーションが可能。ュレーションが可能。• GPT SUPERFISH POISSONGPT SUPERFISH POISSON

Part 2Part 2

加速器開発用コードの開発加速器開発用コードの開発

なぜ、プログラムを作っているなぜ、プログラムを作っているかか ??

作成しているプログラム作成しているプログラム• 静電場解析静電場解析• 静磁場解析静磁場解析• 高周波電磁場解析高周波電磁場解析 (( 時間領域、周波数領域時間領域、周波数領域 ))• ビーム軌道解析ビーム軌道解析

面白そうなので、勉強をかねて作成して面白そうなので、勉強をかねて作成しているいる

学生の卒業研究のテーマに適当学生の卒業研究のテーマに適当 誰かの役に立てば、うれしい誰かの役に立てば、うれしい

プログラムの体系プログラムの体系

メッシュ生成

固有モード計算

ポストプロセッサー

静電場計算 静磁場計算 時間領域計算

イオン・電子銃軌道計算

モデリング

荷電粒子軌道計算

モデリング・メッシュ生成モデリング・メッシュ生成•Qt を使って GUI を作成•絵は Open GL を使用•メッシュは、ドローネ三角分割

現　総合警備保障　藤原友希

電子銃・静電場計算電子銃・静電場計算

現　秋田高専　遠藤信二

•有限要素法•一次要素、直線要素•ビーム軌道計算は、PIC 法の予定

静磁場計算静磁場計算

現　豊橋技大　小玉豊久 秋田大学 宮田翔吾

•有限要素法•二次要素、直線要素•ヒステリシスを計算できるようにすべきか ?

時間領域での時間領域での RFRF シミュレーシシミュレーションョン

高周波高周波 (8000MHz)(8000MHz)

・有限積分法・正方形メッシュ

現　千葉大学　滑川雅人

ビームと空洞の相互作用ビームと空洞の相互作用・電磁場とビームの作用をきちんと計算している・ Particle In Cell 法・正方形メッシュ

現　東北大学　相場亮人

共振モード解析共振モード解析

ＰＦの空洞の計算結果

共振周波数測定値： 499.5 MHz計算値： 499.557 MHz

•有限要素法•2 次要素、曲線要素•進行波の取り扱い可能•計算は、 TM0n モードのみ

現　　東京大学　夏井拓也

計算精度の検証計算精度の検証

f1=130.91174401MHz f2=237.29905116MHz f3=291.85193563MHz

SUPERFISHSUPERFISH との比較との比較

10-11

10-9

10-7

10-5

10-3

10-1

0.001 0.01 0.1 1

誤差のグラフ

f1作成コード f2作成コード f3作成コード

SUPERFISH f1SUPERFISH f2SUPERFISH f3

error

mesh size [m]

進行波の計算進行波の計算

作成コード作成コード SUPERFISHSUPERFISH

QQ00 7775.07775.0 7715.37715.3

R [MΩ/m]R [MΩ/m] 99.27299.272 98.42298.422

K [V/pC]K [V/pC] 2.00382.0038 2.00252.0025

Q0 ： Q 値

R ：シャントインピーダンス

K ：ロスパラメータ

まとめまとめ

何とかプログラムは動いているが、実用に何とかプログラムは動いているが、実用にはいろいろと改良が必要である。はいろいろと改良が必要である。

共振モードの解析プログラムは、いい線を共振モードの解析プログラムは、いい線を行っている。行っている。 SUPERFISHSUPERFISH より、良い部分より、良い部分もある。もある。

今後、少しずつ改良を重ねたい。今後、少しずつ改良を重ねたい。