Feldsimulation starrer Teilchenstrahlen beliebiger Geschwindigkeit und deren Anwendung in der Schwerionenbeschleunigerphysik (Paperback)
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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Erweiterung der Methode der Finiten Integration, mit dem Ziel die Simulation starrer Teilchenstrahlen beliebiger Geschwindigkeit in Kombination mit absorbierenden Randbedingungen zu ermöglichen. Ein Teilchenstrahl kann als starr bezeichnet werden unter der Annahme, dass die bewegten geladenen Teilchen durch die zu simulierende Struktur hinweg ihre Eigenschaften wie Geschwindigkeit und transversale Position nicht ändern. Diese Annahme ist zum Beispiel für Teilchenstrahlen, deren Elemente schwere Ionen sind, zulässig. Da gerade solche Teilchen bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) beschleunigt werden, ist das entwickelte Verfahren insbesondere für die GSI von Bedeutung.Die Modellierung der Teilchen erfolgt innerhalb des Rechengebietes durch einen Linienstrom entlang einer Gitterkante. Dieser Linienstrom wird mit Hilfe einer diskreten Kontinuitätsgleichung umgesetzt. Ein solches Vorgehen gewährleistet a priori, dass sich keine unphysikalischen Ladungen im Rechengebiet ausbilden können.Weiterhin müssen die bewegten geladenen Teilchen in das Rechengebiet emittiert und aus diesem wieder absorbiert werden, ohne am Rand das Gesetz der Ladungserhaltung zu verletzten. Besitzen die Teilchen zusätzlich eine Geschwindigkeit, die signifikant kleiner ist als die Lichtgeschwindigkeit, so ergibt sich das Problem, dass das elektromagnetische Feld der Teilchen in Flugrichtung unendlich ausgedehnt ist. Als Konsequenz muss ein Teilchen, welches sich auf ein Rechengebiet zubewegt, auf dieses bereits vor seinem Eintritt Einfluss haben. Das Einbringen der Teilchen in das Rechengebiet und die Berücksichtigung des unter Umständen unendlich ausgedehnten Feldes des Teilchen wird mit Hilfe einer Streufeldformulierung am Rand realisiert.Zur Ausnutzung einer Streufeldformulierung ist die Kenntnis des elektromagnetischen Eigenfeldes der bewegten geladenen Teilchen in einem diskreten Sinn notwendig. Das Eigenfeld der bewegten Ladungen ist das von den Ladungen hervorgerufene elektromagnetische Feld im längshomogenen Raum. Aufgrund dessen, dass das Verfahren hauptsächlich in der Beschleunigerphysik zum Einsatz kommen soll, ist in der Arbeit als längshomogene Struktur ein Hohlleiter, genauer gesagt das Strahlrohr, gewählt. Die Eigenfelder sollen im diskreten Raum vorliegen, da es zum einen, wie z. B. bei bewegten geladenen Teilchen im Rechteckhohlleiter, teilweise schwierig ist, das Eigenfeld in analytischer Form zu berechnen, zum anderen verletzt das Einprägen von analytischen Feldern in ein diskretes Rechengebiet im Falle nicht äquidistanter Diskretisierung die Ladungserhaltung.Im Zeitbereich lässt sich das Eigenfeld der Ladungen durch die Lösung einer Poissongleichung auf einem Hilfsgitter im Ruhesystem der Teilchen und anschliessender Lorentz-Transformation der Felder in das Laborsystem ermitteln. Im Frequenzbereich nutzt man absorbierende Randbedingungen in einer separaten Simulation des homogenen Rohres aus.Das Verfahren wird validiert und auf verschiedene Beispiele der Beschleunigerphysik angewandt. Insbesondere ist es damit möglich, die ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit entwickelte planare Elektrodenstruktur zu simulieren. Diese Elektrodenstruktur soll im Rahmen der stochastischen Kühlung im Zukunftsprojekt der GSI zum Einsatz kommen und muss als zentrales Element der stochastischen Kühlung möglichst effizient sein. Daher wird die Struktur im Rahmen der Arbeit ausführlich analysiert und optimiert.Darüber hinaus ermöglicht das neue Verfahren die Berechnung von Beschleunigerstruktur-Kenngrössen für beliebige Teilchengeschwindigkeiten und prinzipiell beliebige Strukturen.136 SeitenSofort lieferbar, Softcover.

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