Hochgenaue 3D Simulationen von Gyrotron-Oszillatoren

Gyrotron-Simulationen mit Methoden höherer Ordnung Die Erzeugung von Mikrowellen mit hoher Leistung ist durch die Verwendung von Gyrotron-Oszillatoren möglich, die Strahlung im Millimeter- und Submillimeterbereich generieren. Die kinetische Energie eines beschleunigten Elektronenhohlstrahls wird mit Hilfe der Elektronen-Zyklotron-Maser-Instabilität (ECR) in elektromagnetische Energie umgewandelt. Aufgrund der Unzugänglichkeit von Messungen im Kernbereich des Gyrotrons, der einer Vakuumröhre entspricht, können Simulationen einen signifikanten Einblick in die relevante Physik bei heutzutage moderaten Rechenkosten bieten. Daher ist die Particle-In-Cell-Methode, die von einer langen Entwicklungsgeschichte begleitet wird, ein herausragendes Beispiel für kinetische Methoden, die in der Lage sind, diese Probleme präzise zu simulieren. Hier werden PIC-Methoden hoher Ordnung eingesetzt, die gegenüber Methoden niedriger Ordnung unterschiedliche Vorteile bieten. Vorteile von PICLas Das Simulationstool PICLas vereint mehrere Vorteile gegenüber anderen State-of-the-Art-Codes für die Simulation von Gyrotrons. Hauptmerkmale sind: Hohe physikalische Detailgenauigkeit dank fortschrittlicher numerischer Modellierung durch die Kopplung von Finite-Elemente- und Finite-Volumen-Schemata Effiziente Simulationen auf 3456 CPU-Kernen (144 Knoten mit jeweils 24 Kernen) aufgrund hervorragender Skalierbarkeit und adaptiver Lastanpassung Nicht konforme und gekrümmte Gittergenerierung mit HOPR Drastisch reduzierte Anzahl der Freiheitsgrade des Feldlösers dank DG-Methoden höherer Ordnung 1 MW 140 GHz Gyrotron für den Wendelstein 7-X Reaktor Ein 140-GHz-Gyrotron, welcher im TE28,8-Modus betrieben wird, liefert die erforderliche Leistung im MW-Bereich für das ECR-Heizsystem des experimentellen Fusionsreaktors Wendelstein 7-X in Greifswald. Simulationen des Kernteils des Gyrotrons, des Hohlraumresonators sowie der angrenzenden Geometrie wurden durch PIC-Simulationen höherer Ordnung durchgeführt. Dafür wird ein Elektronenhohlstrahl in eine rotationssymmetrische Geometrie eingekoppelt. Sobald der Elektronenstrahl den Hohlraumresonator erreicht, wird der TE28,8-Modus angeregt, wodurch die kinetische Energie des Elektronenhohlstrahls extrahiert wird. Ein Bild des Gyrotrons sowie des für die Simulationen relevanten Bereichs ist in der folgenden Abbildung dargestellt. (Photograph (left) by Z6ehswhha5HGRTd - Own work. Licensed under CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons) Simulationsergebnisse Simulationsergebnisse können in Form von Partikelinformationen und/oder Feldvariablen dargestellt werden. Ein deutliches Muster der TE28,8 Moden ist innerhalb des Hohlraumresonators sichtbar, visualisiert mit Hilfe des azimutalen elektrischen Feldes. Die Mode wandert stromabwärts, wird durch einen speziellen Satz von Spiegeln in eine Gauß'sche Form umgewandelt und aus dem Gyrotron-Oszillator extrahiert. Das Video zeigt einen Gyrotron im Betrieb, bei dem der Elektronenhohlstrahl von links eingekoppelt wird, durch die Geometrie wandert und rechts austritt. Im Zentrum der Vorrichtung, dem Resonanzraum, findet die Energieumwandlung statt. Hier wird die 140 GHz TE28,8 Mode angeregt. Es müssen keine physikalischen Annahmen innerhalb des angewendeten PIC-Modells angewendet werden, damit die korrekte Mode und Frequenz getroffen werden.