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An Emission Model for the Particle-in-Cell Method

Mudiganti, Jagadish C. :
An Emission Model for the Particle-in-Cell Method.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: An Emission Model for the Particle-in-Cell Method
Language: English

The thesis ‘An Emission Model for the Particle-in-Cell Method‘, presents a comprehensive approach in simulating electron emission from a given electron source of any material type and geometrical shape. The model presented in this work is simple and computationally efficient. The shortcomings of the popular methods are circumvented and efficiency greatly enhanced in solving complex emission problems, which otherwise have remained un-addressed. In the beginning, the Theory of Electron Emission and the governing relations to model thermionic, field and photo emission are presented. The importance of having accurate field solutions on an arbitrary shaped emission surface is discussed. In this regard the Conformal Finite Integration Technique and its relevance in emission model is highlighted. The interaction of charged particles with external fields and the resulting dynamics is studied using the Particle-in-Cell method. A brief overview of this method and the time integration schemes of the particle equations of motion are presented. A vital component of the emission model is the initialization of the particle positions on the emitter. The initialization depends on the type of emission, the geometrical shape of the emitter and the initial conditions. To meet the requirements of any real time problem, we developed a Geometric Modeling tool that uses Constrained Delaunay Triangulation to generate a problem specific surface mesh necessary for initializing particles. In all practical problems, there is a limit to the current that can be drawn from the emitter. The limits can be classified as Space Charge Limited and Temperature Limited. The analytical solution to the space charge limited emission can be obtained using the 1D Child’s law. For practical problems, the Virtual Cathode method is widely used to obtain a 3D numerical solution of the Child’s law. There are obvious disadvantages in using this method which are highlighted. As an alternative, a Charge Conservation method is developed and its efficiency over the Virtual Cathode method is demonstrated. Finally the emission model is tested extensively in the case of planar, spherical and circular cylindrical diodes and a comparative study between the Virtual Cathode and Charge Conservation methods is presented. As an application problem, simulation of a Traveling Wave Tube Amplifier is performed at the end of the dissertation and the results are found to be in good agreement with the experiment.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Doktorarbeit 'An Emission Model for the Particle-in-Cell Method' beschäftigt sich mit dem umfassenden Ansatz zur Simulation der Elektronenemission von einer Quelle der beliebigen Materie und Geometrie. Hier vorgestelltes Modell ist einfach und recheneffizient. Die Mängel an den herkömmlichen Methoden bei der Lösung von komplexen Emissionsproblemen konnten mit steigender Effizienz umgegangen werden. Am Anfang wird die Theorie der Elektronenemission und zusammenhänge zwischen Thermionic, elektrichen Feldern und Photoemission erklärt und die absolute Notwendigkeit der genaueren Feldberechnungen an der Emissionsoberfläche an hand der „Conformal Finite Integration Technique” erläutert. Mit der „Particle-in-Cell“ Methode werden die Wirkungen von externen elektromagnetischen Feldern auf geladenen Teilchen und deren Kräftespiel untersucht und die Bewegungsgleichungen der Teilchen mit den Zeitintegrationsmethoden aufgestellt. Der Hauptpunkt dieses Emissionsmodells ist die Initialisierung der Teilchen auf der Emissionsoberfläche. Die Initialisierung hängt von der Art der Emission, die geometrische Geschaffenheit des Emitters und Anfangsbedingungen. Die Anforderungen eines realen Problems gerecht zu werden, wurde ein geometrisches Modellierungswerkzeug entwickelt, das an hand von „Constrained Delaunay Triangulation“ die Oberflächenmasche des Emitters für Teilchen Initialisierung erzeugt. In aller Praxis relevante Probleme ist der durch Emitter fließende Strom entweder durch die Raumladung oder durch Temperatur begrenzt. Die Raumladung Begrenzung ist mit dem analytischen 1D Child’schen Gesetz gegeben. Die Virtuell Kathode Methode liefert eine 3D numerische Lösung des Child’schen Gesetzes. Die offensichtlichen Nachteile dieser Methode wurden analysiert. Gegensatz zu dieser Methode wurde die „Charge Conservation Methode“ entwickelt und ihre Effizienz gegenüber „Virtuell Kathode Methode“ demonstriert. Schließlich wird das entwickelte Emissionsmodell mit Planar-, Kugel- und Zylinderdioden ausführlich getestet. Die Methoden der „Virtuell Kathode“ und „Charge Conservation“ umfassend untersucht und mit einander gewogen. Zum Schluss wird als ein Anwendungsbeispiel „Traveling Wave Tube Amplifier” simuliert und untersucht. Die durch Simulation berechneten Ergebnisse stimmen über durch Experiment erzielte Messungen im großen Umfang überein.German
Uncontrolled Keywords: Elektronenemission, Raumladungsemission, thermionisch
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Elektronenemission, Raumladungsemission, thermionischGerman
Electron emission, Particle in Cell method, space charge limited emission, thermionic, field, photo emission, travelling wave tube amplifier, Particle AcceleratorEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000887
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-8877
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Hinrichsen, Prof. Dr. Volker
Advisors: Weiland, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 1 November 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/887

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