Trak Charged Particle Tool 软件应用示例：相对论速调管强流束枪仿真

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本章将逐步引导完成一个 Trak 应用实例。该计算用于评估一个高强度、相对论性速调管电子枪的性能。该电子枪设计具有强束流会聚特性，因此对数值计算的精度提出了较高要求。该几何结构，为绕底部 z 轴的旋转对称体。一个电流为 460 A 的电子束从一个球面阴极引出，跨越 660 kV 的加速间隙。本仿真仅涉及外加电场——我们也可添加磁场以研究束流在螺线管中的匹配传输。

本示例使用的程序包括：fpcontroller.exe、mesh.exe、estat.exe 和 trak.exe。创建一个数据目录（如 \tricomp\buffer），并确认 fpcontroller.exe 中程序和数据目录的设置正确。将文件 KLYSTRONGUN.MIN 移到该数据目录。

几何定义

我们将使用现有的 Mesh 输入脚本。运行 Mesh，点击选项 File/Load.Script (MIN)，选择文件 KLYSTRONGUN.MIN。选择 Edit script/Graphics 进入绘图编辑器，在此可查看几何结构并确认区域分配。点击 Foundation display 选项，注意轴附近细化的网格分辨率，以确保会聚束内部电场的良好表征。图1显示了阴极附近轴上的网格细节，包含节点编号。与标准 EStat 输入网格的主要区别在于区域6的存在——这是一个覆盖阴极表面的开放区域（图3中红色标记节点）。这些关联节点与阴极（区域3）具有相同电势，因此不影响静电求解。这些标记节点在 Trak 中用于识别作为电子发射面的表面面片。

关闭绘图编辑器返回主菜单。点击 Process 选项生成网格。可使用 Mesh 的绘图功能检查生成的共形网格。务必点击 Save mesh (MOU) 选项，生成文件 KLYSTRONGUN.MOU。

生成外加场

首先需要定义控制参数和材料属性以创建输入静电求解。运行 EStat，选择 Setup 选项，选择文件 KLYSTRONGUN.MOU。程序显示对话框（图2），按图示填写数值。在控制参数组中，大部分接受默认设置。几何类型设为 Cylindrical（圆柱），单位转换参数设为 DUnit = 39.37（英寸/米）。网格中的材料属性较为简单：区域1（真空）为介电常数 εᵣ = 1.0 的电介质；区域2（阳极）和区域5（真空室）接地电位；阴极组件电极区域（区域3、4和6）设为 -660.0 kV。点击 OK 接受默认名称，创建文件 KLYSTRONGUN.EIN。

选择 Solve 命令，EStat 在数秒内完成静电求解并保存文件 KLYSTRONGUN.EOU。可使用 EStat 的绘图功能查看求解结果。后续 Trak 将创建另一个包含束流空间电荷效应的静电求解文件 KLYSTRONGUNP.EOU。

创建 Trak 控制脚本

现在进入生成束流解的主要任务。运行 Trak，选择 Setup 命令。对话框提示选择运行模式。动能为 660.0 keV 的电子其相对论能量因子 γ = 2.29，显著大于 1。因此，束致磁场起重要作用，必须在初始对话框中选择 RelBeam 选项。点击 OK 后，程序显示设置对话框（图3），按图示填写数值。

在 Fields 部分，指定程序从 KLYSTRONGUN.EOU 加载网格和初始电场信息。参数 MaxCycle 和 ResTarget 控制添加束流空间电荷后电场的重新计算。若希望以英寸为单位输入脚本空间量，则需将数值乘以缩放因子 (39.37)⁻¹ 转换为程序内部使用的米制单位——通过将 DUnit 菜单项设为 inch 可自动完成转换。

在 Particles 部分，设置两个参数控制自洽求解：轨迹追踪和场重新计算共进行 20 个循环，电荷平均因子 Avg = 0.20。电子沿连接区域6节点的面片所构成的发射面生成。

在 Emission 部分，各参数含义如下：