Metody pro simulaci elektronově optických systémů s velkým proudem ve svazku

Mgr. Jiří Zelinka, Ph.D.

Disertační práce

Simulation of high beam current electron optical systems

Anotace:

Tato disertační práce nejprve shrnuje dosavadní metody výpočtu elektronově optických systémů ovlivněných prostorovým nábojem, aby v ní byla následně popsána nová univerzální metoda iterativního výpočtu, která je schopna velmi přesně popsat veškeré jevy související s prostorovým nábojem včetně oblastí v bezprostředním okolí katody a všech křižišť svazku. Pro výpočet distribuce hustoty prostorového náboje v různých částech systému jsou použity dvě odlišné metody. V okolí povrchu katody je pro výpočet distribuce hustoty prostorového náboje použita metoda buněk založená na metodách typu Monte-Carlo. V ostatních částech systému je použita inovativní metoda založená na výpočtu proudové hustoty na základě vyhodnocení aberačního polynomu. Dalším inovativním prvkem nového algoritmu je adaptace sítě pro výpočet elektrostatického pole metodou konečných prvků na základě aktuální distribuce hustoty prostorového náboje tak, aby byla síť ve všech oblastech systému s nenulovou hodnotou prostorového náboje dostatečně jemná. Poslední částí této disertace je popis úspěšných testů nového algoritmu na trojici reálných systémů s odlišnými parametry a porovnání nasimulovaných výsledků s experimentálními daty.

Abstract:

This dissertation starts with summary of existing methods for computation of electron optical systems influenced by space charge. Afterwards is presented new comprehensive numerical method for iterative computation which can accurately describe all effects corresponding with influence of the space charge in an electron optical system, including areas near a cathode tip and all crossovers. Two different algorithms of evaluating the space charge distribution in different parts of the system are used. The Monte-Carlo based particle-in-cell method is used in the vicinity of the cathode. The innovative algorithm based on the calculation of the current density distribution from an aberration polynomial is used for the rest of the system. A remeshing algorithm which adapts the finite element mesh used for the field calculation in each iteration to the actual space charge distribution to keep it sufficiently fine in all areas with non-zero space charge is also introduced. The new algorithm is finally successfully tested on three real electron optical systems with different parameters and results are compared with experimental data.

Klíčová slova

Prostorový náboj, Self-konzistentní simulace, Aberační polynom, Emise elektronů, Metoda konečných prvků, Metoda buněk, Space Charge, Self-consistent Simulation, Aberration Polynomial, Electron Emission, Finite Elements Method, Particle-in-cell Method

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 3. 7. 2018

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 12. 10. 2018
• Vedoucí: Mgr. Tomáš Radlička, Ph.D.
• Oponent: prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc., Ing. Jakub Zlámal, Ph.D.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Fyzika (čtyřleté) / Vlnová a částicová optika