在粒子加速器中，一束高速行進的帶電粒子束并非在真空中"獨行"。它會與周圍的加速器結構（如束流管、諧振腔的不連續(xù)處）發(fā)生電磁相互作用，在其身后激發(fā)出電磁場，這被稱為尾場 (Wakefields)。這些尾場會對后續(xù)的粒子束產生作用力，可能導致束流能量擴散、束流不穩(wěn)定甚至束流崩潰，是限制加速器性能的重要因素。

CST Studio Suite? 中的尾場求解器 (Wakefield Solver) 正是為分析此類效應而設計的專業(yè)工具。

CST尾場求解器分析界面

尾場的核心概念

尾勢 (Wake Potential)： 描述了由一個前導粒子（源粒子）在特定位置產生的、對一個尾隨粒子（測試粒子）施加的縱向和橫向作用力。

損耗因子 (Loss Factor)： 表示源粒子束在通過結構時，由于激發(fā)尾場而損失的能量。

束流阻抗 (Beam Impedance)： 尾勢的傅里葉變換，是頻域內描述束流與環(huán)境相互作用的關鍵物理量，直接關系到束流不穩(wěn)定性閾值的計算。

CST尾場求解器的工作原理與應用

CST的尾場求解器是基于瞬態(tài)求解器的，其工作流程如下：

1. 結構建模

首先，精確地建立加速器組件的三維模型，例如一個射頻腔體、真空盒或束流位置監(jiān)視器(BPM)。模型需要包含所有可能影響束流的幾何細節(jié)和邊界條件。

2. 束流激勵

定義一個粒子束作為激勵源。通常使用一個高斯分布的粒子束，并設置其電荷量、束流能量（超相對論或非相對論）、束流尺寸等參數。求解器會計算當這個粒子束以接近光速通過結構時所激發(fā)的電磁場。

3. 計算與后處理

求解器會計算出時域的尾勢。通過后處理，可以得到：縱向和橫向尾勢曲線、縱向和橫向阻抗譜、損耗因子和踢動因子 (Kick Factor)。

主要應用場景

高次模(HOM)分析

分析加速腔中由束流激發(fā)的有害高次模式，并設計HOM耦合器將其導出。這對于超導加速腔的設計尤為重要，因為HOM會導致束流不穩(wěn)定性和額外的熱負載。

阻抗預算

對整個加速器環(huán)中所有組件（法蘭、波紋管、閥門等）的阻抗進行計算和預算，以控制束流不穩(wěn)定性。這是現代加速器設計中不可或缺的環(huán)節(jié)。

結構設計優(yōu)化：

通過仿真優(yōu)化束流管道的幾何形狀（例如采用錐形過渡），以最大限度地減小其對束流的阻抗貢獻。這種優(yōu)化可以顯著提高加速器的性能和穩(wěn)定性。

技術優(yōu)勢與特色

專業(yè)性與精確性

CST尾場求解器專門針對加速器物理問題開發(fā)，能夠準確模擬高能粒子束與復雜加速器結構的相互作用。其基于瞬態(tài)求解器的方法保證了計算的精確性和可靠性。

全面的分析能力

從單個組件的局部效應到整個加速器系統(tǒng)的全局性能，CST尾場求解器都能提供詳細的分析結果，幫助物理學家和工程師深入理解束流動力學。

尾場分析是現代粒子加速器設計的關鍵環(huán)節(jié)

CST尾場求解器以其高精度和易用性，為廣大加速器物理學家和工程師提供了一個強大的工具，用于理解和控制復雜的束流-結構相互作用，從而設計出性能更高、更穩(wěn)定的加速器。

CST電磁仿真軟件達索官方授權代理商-北京碩迪科技，愿為您提供CST的技術支持和試用報價服務。

審核編輯 黃宇