粒子动力学仿真

电子枪

从 X 射线管到行波管放大器，电子枪是许多工业、医疗和研究应用中的粒子源。这些通常需要分散有限的精细电子束。然而，电子间的空间电荷排斥就代表：如果不仔细设计电极，电子束就容易发散。

CST Studio Suite 和 Opera 中的粒子跟踪求解器可为电子通过枪内电场的运动建模。空间电荷模型可仿真电子之间的排斥及其产生的电子束分散，因此工程师可准确仿真电子束行为并生成可靠的电子束。综合多物理场仿真除了研究电磁学以外，还可研究热和应力。

碳纳米管发射器

碳纳米管发射器通过量子力学场效应在室温（冷阴极）下产生电子，所需电能较少。因其尺寸原因，这些可在更便携的设备中使用。Opera 允许开发这些日益普及的电子源。

行波管 (TWT)等真空电子器件因其可靠性和性能，主要用于卫星通信。例如，在 1-60 GHz 的频率范围内，放大信号可达到高达 500W 的输出功率，效率超过 50%（对于空间 TWT 而言）。

与其同类固态产品相比，它们会表现出更高的效率、可靠性及热性能以及略高的线性。但它们的构建成本更高。因此，在可靠性是必备条件时，就可使用 TWT，如高功率和卫星应用等。仿真在这些设计过程中极具诱惑力，因为它可减少对多个高成本原型的需求。

TWT 的设计可使用 PIC 求解器执行，以对慢波结构 (SWS) 表征，该结构对应于电子束与 RF 信号（通过螺旋结构维持）之间的相互作用区域。

RF 信号从输入耦合器引入。在电子沿 SWS 传播的过程中，会将电子的动能传递给行波。沿着电子管，电子束会变成束状，电子会将其动能丢给行波。随后使用在输出耦合器中提取的最大功率放大行波。

SIMULIA 提供基于 Spark3D 技术的特殊 RF 击穿分析，例如微放电和电晕效应。这些效应发生在高功率微波组件中，可能会损坏敏感器件。微放电是卫星通信的主要问题，其中一个组件故障可能会导致整个系统无法运行。

这里可执行两种类型的研究。在大气压力下工作时，电晕效应占主导地位，而对于嵌入在空间中的组件（也就是说非常接近真空），微放电效应则占主导地位。微放电由材料属性和所谓的二次发射系数（即电子碰撞导致另一个电子发射的概率）决定。当 RF 器件的功率足够强，使得电子加速，导致二次电子发射倍增，就会产生电子雪崩，进而就会出现微放电。

微放电和电晕效应是在 RF 组件的设计阶段和认证测试中必须考虑的强烈约束条件。

磁控溅射广泛用于各领域中的薄膜制造。应用包括玻璃上的装饰性和低辐射性镀膜，以及当前最苛刻应用使用的产品上的工程镀膜等。沉积膜属性的优化以及溅射靶的利用，对于保证最终产品的性能和流程的经济性至关重要。SIMULIA Opera 将精确的有限元分析与等离子体、溅射及膜沉积的详细模型相结合，可为磁控管的设计优化提供首批实用工具。