중성빔 입사장치에서 빔형성 구조의 입자모사 모형

Particle Simulation Modelling of a Beam Forming Structure in Negative-Ion-Based Neutral Beam Injector

중성입자입사 장치의 효율적인 빔형성 구조를 목적으로 정전기장 내에서 하전 입자의 움직임을 시간의 흐름에 따라 계산해 볼 수 있는 프로그램을 만들어 입자 모사 모형을 찾았다. 가속관 내의 입자의 움직임은 일정 시간 간격으로 계산하였고 전위는 유한차분법에 의해 Poisson 방정식에서 구하였다. 행렬식은 반복해법인 successive overrelaxation법을 사용하였고 전하밀도와 임자에 미치는 전기장의 힘을 구할 때는 cloud-in-cell모델을 사용하였다. 이 전자계산 코드를 사용하여 가속관 내 전극의 여러 조건들을 변화시켜가면서 빔형성 구조의 최적 설계를 수행하였다. 중성자 입사 장치의 가속관에서 가속 감속-전극간의 간격변화, 감속전극의 두께 변화, 가속 전극의 형태변화 등을 통하여 이들이 빔의 모양에 끼치는 영향을 조사하여 몇 가지 경우에 있어서 일정한 시간 간격으로 나타나는 입자들의 움직임을 예시하였다. 이 입자 모사모형을 통하여 가속전극의 형태가 빔 퍼짐에 가장 주요한 역할을 하는 것을 알았다.

For the effective design of a beam forming structure of the negative-ion-based neutral beam injector, a computer program based on a particle simulation model is developed for the calculation of charged particle motions in the electrostatic fields. The motions of negative ions inside the acceleration tube of a multiple-aperture triode are computed at finite time steps. The electrostatic potentials are obtained from the Poisson's equation by the finite difference method. The successive overrelaxation method is used to solve the matrix equation. The particle and force weighting methods are used on a cloud-in-cell model. The optimum design of the beam forming structure has been studied by using this computer code for the various conditions of elctrodes. The effects of the acceleration-deceleration gap distance, the thickness of the deceleration electrode and the shape of the acceleration electrode on beam trajectories are exmined to find the minimum beam divergence. Some numerical illustrations are presented for the particle movements at finite time steps in the beam forming tubes. It is found in this particle simulation modelling that the shape of the acceleration electrode is the most significant factor of beam divergence.