「BEAM」荷電粒子軌道解析ソフトウェア

ELF/BEAM　荷電粒子軌道解析

ELF/BEAM は荷電粒子軌道解析ソフトウェアです。 ELF/MAGIC や ELFIN によって計算された電磁場中の荷電粒子の軌道を計算します。

• • 空間メッシュ不要
    荷電粒子の軌道上での電場や磁場はソースから直接計算するので、空間メッシュを作る必要はありません。
  • 高精度の空間電場・磁場
    有限要素法では空間電場・磁場の計算は、空間メッシュのポテンシャルから計算するので精度が落ちますが、ELF/BEAMでは電場・磁場をソースから直接計算するので精度が落ちません。
    
    ソースが作る電場・磁場の計算は解析積分式を用いています。したがって電場・磁場は要素近傍まで高精度です。
    
    高精度の電場・磁場を使って高精度の荷電粒子軌道解析ができます。スパッタリング、ブラウン管の解析などが精度良く解析できます。
  • ELF/MAGIC,ELFINとの連係
    磁場中の荷電粒子の軌道が計算できます。(ELF/MAGIC＋ELF/BEAM)
    電場中の荷電粒子の軌道が計算できます。(ELFIN＋ELF/BEAM)
    電場と磁場中の荷電粒子の軌道が計算できます。(ELF/MAGIC＋ELFIN＋ELF/BEAM)
• • 軌道計算法
    オイラー法、４次のルンゲクッタ法、エルフ独自の手法が選べます。
    エルフ独自の手法では、少ない計算時間で高精度の計算ができるよう多くの工夫が加えられています．
    同じ精度の結果を得るのであればエルフ独自の手法が最も高速です。
  • 相対論効果
    縦質量・横質量の式を用いています。
    光速度に近くなるまで高精度に計算できます。
  • 空間電荷効果
    荷電粒子間のクーロン相互作用が考慮できます。
    荷電粒子が飛んだ軌跡に線分電荷を置き、その線分電荷が作る電場も考慮して計算を繰り返し、荷電粒子の軌道を計算します。

出力結果

• 粒子の位置、速度、加速度
  出力として荷電粒子の位置、速度、加速度が得られます

高速化

• 実行モジュールのベクトル化と並列化
  近年のCPUはクロック周波数の向上による高速化が困難になってきたため、コア数を増やして性能を向上させています。
  
  ELFシリーズの実行モジュールは、ほぼ全ての部分でベクトル化と並列化を実現しているため、近年のCPUと非常に相性が良く、年々計算速度が向上しています。

応用分野

• • 電子銃
  • スパッタリング
• • 電子顕微鏡
  • 加速器

軌道解析事例　ELF/BEAM

• • ２つの空芯コイルからなる磁気レンズ
    

    計算時間：1秒

    
    2つの空芯コイルからなる磁気レンズに電子ビームを入射したときの電子軌道です。円周上に電子を8個配置して軌道を計算しています。中心軸の周りを回転しながら、中心へ集められます。
• • アンジュレーター光源
    

    計算時間：2秒

    アンジュレーター光源の解析事例です。複数の磁石の極を交互にして並べ、電子軌道を計算すると蛇行します。この時に放射光が発生します。粗い要素で作成しても磁石近傍まで正確に磁場が計算できているため、電子軌道が精度よく計算できます。

• • 二組の平行電極による電子の軌道解析
    

    計算時間：1秒

    平行電極二組を直交させて配置して電子の軌道を解析します。平行電極にそれぞれ電圧を加え、ELFINにて電場解析を行い、円環状に射出させた電子の軌道を解析した例です。
• • 針状電極から射出した電子の軌道解析
    

    計算時間：2秒

    電子の軌道解析です。針状の電極と電子加速用の平面電極に電圧を加え、ELFINにて電場解析を行い、針状電極から射出した電子の軌道を解析した例です。針状電極を誘電体に変更することも可能であり、細かな曲面を精度良くモデル化することができます。