Особенности тестирования программного обеспечения для численного моделирования электронно-оптических систем

Аннотация

Описана методика тестирования нового программного обеспечения EliSa, предназначенного для моделирования аксиально-симметричных электронных пушек, построенного на базе метода контрольных объемов на неструктурированных сетках и метода частиц в ячейке. Методика состоит из двух этапов. На первом этапе численные результаты, полученные с помощью программного обеспечения OperaFEA для планарной пушки Пирса, сопоставляются с результатами точного аналитического решения для оценки погрешности численного метода решения задачи траекторного анализа, реализованного в OperaFEA. На втором этапе численные результаты траекторного анализа и вольтамперные характеристики, полученные для аксиально-симметричной пушки с применением EliSa, сопоставляются с результатами, полученными с помощью OperaFEA для той же модели. Это позволяет оценить погрешность численного моделирования электронного потока с нулевым фазовым объемом, поскольку определенная на первом этапе погрешность в OperaFEA, не превышает 0,5 %. Сравнение вольтамперных характеристик, рассчитанных с помощью EliSa, с характеристиками, рассчитанными с использованием программного обеспечения EOS2, разработанного в конце 70-х годов прошлого века, показывает, что программное обеспечение EliSa демонстрирует повышение точности более чем на порядок

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Куликова И.В., Приступчик Н.К. Особенности тестирования программного обеспечения для численного моделирования электронно-оптических систем. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2025, № 3 (152), с. 121--132. EDN: MIDNCU

Литература

[1] Пензяков В.В. Расчет электронных пушек на электронных цифровых машинах. Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ, 1966, № 1, с. 41.

[2] Голеницкий И.И., Захарова А.Н., Кущевская Т.П. и др. Комплекс для расчета на ЭВМ М-220 ЭОС от катода до коллектора на основе строгих и упрощенных математических моделей электронных пучков. Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ, 1974, № 8, с. 109--110.

[3] Блейвас И.М., Голубцов Б.И., Ильин В.П. и др. Комплекс программ для решения на БЭСМ-6 широкого класса задач статической электроники (компилирующая система КСИ-БЭСМ-6). Тез. докл. IV Всесоюз. семинара по методам решения задач электронной оптики. Новосибирск, СО АН СССР, 1971, c. 26.

[4] Журавлева В.Д., Морев С.П., Пензяков В.В. и др. Программа расчета многоскоростного аксиально-симметричного пучка в магнитном поле. Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ, 1985, № 1, с. 70.

[5] Григорьев Ю.А., Журавлева В.Д., Морев С.П. и др. Программа анализа ЭОС с многоскоростным электронным пучком. Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ, 1988, № 1, с. 70.

[6] Блейвас И.М., Лукошков В.С., Ильин В.П. и др. Анализ различных машинных программ расчета электронно-оптических систем приборов типа "О". В кн.: Методы расчета электронно-оптических систем. М., Наука, 1977, с. 5--8.

[7] Мышкис А.Д. Элементы теории математических моделей. М., КомКнига, 2007.

[8] Зельдович Я.Б., Мышкис А.Д. Элементы математической физики. Среда из невзаимодействующих частиц. М., ФИЗМАТЛИТ, 2008.

[9] Humphries St. Charged particle beams. New York, Dover Publ., 2013.

[10] Куликова И.В., Приступчик Н.К. Разработка ПО на основе Лагранжева описания движения частиц для неструктурированных сеток. Сб. докл. XIII Всерос. науч.-техн. конф. "Электроника и микроэлектроника СВЧ". СПб., СПбГЭТУ ЛЭТИ, 2024, с. 108--111. EDN: IFZMNU

[11] Pierce J.R. Rectilinear electron flow in beams. J. Appl. Phys., 1940, vol. 11, no. 8, pp. 548--554. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1712815

[12] Алямовский И.В. Электронные пучки и электронные пушки. М., Советское радио, 1966.

[13] Child C.D. Discharge from hot CaO. Phys. Rev. (Series I), 1911, vol. 32, no. 3, pp. 492--511. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevSeriesI.32.4

[14] Fay C.E., Samuel A.L., Shockley W. On the theory of space charge between parallel plane electrodes. Bell Sys. Tech. J., 1938, vol. 17, no. 1, pp. 49--79. DOI: https://doi.org/10.1002/j.1538-7305.1938.tb00775.x

[15] Langmuir I. The effect of space charge and initial velocities on the potential distribution and thermionic current between parallel plane electrodes. Phys. Rev., 1923, vol. 21, no. 4, pp. 419--435. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRev.21.419

[16] Куликова И.В. Построение ВАХ вакуумного диода на основе численного решения уравнения Власова --- Пуассона. Прикладная физика, 2020, № 2, с. 27--33. EDN: MEERGB

[17] Куликова И.В. Методы моделирования электронного газа в плоском диоде. Тр. Междунар. конф. "Суперкомпьютерные дни в России". М., Макс-Пресс, 2021, с. 159--160. EDN: JAXHPU

[18] Geuzaine С., Remacle J.-F. Gmsh: a 3-D finite element mesh generator with built-in pre- and post-processing facilities. Int. J. Numer. Meth. Eng., 2009, vol. 79, no. 11, pp. 1309--1331. DOI: https://doi.org/10.1002/nme.2579

[19] Воропаева Е.С., Вшивков К.В., Вшивкова Л.В. и др. Алгоритмы движения в методе частиц в ячейках. Вычислительные методы и программирование, 2021, т. 22, №. 4, с. 281--293. DOI: https://doi.org/10.26089/NumMet.v22r418

[20] Дудникова Г.И., Романов Д.В., Федорук М.П. Об алгоритмах метода частиц на неструктурированных сетках. Журнал вычислительной математики и математической физики, 2000, т. 40, № 1, с. 153--165.