CST StudioParticles: PICビームダイナミクス計算
CST Studio の PIC モジュールを用いたビームダイナミクス計算について説明します．
目次
はじめに
このページでは，CST Studio の PIC モジュールを使ってビームダイナミクスを計算する際の設定や注意点を説明します．
PIC（Particle-In-Cell）シミュレーションは，荷電粒子の運動と，粒子が作る電磁場の時間発展を，相互の影響を反映しながら同時に計算する手法です．粒子はマクロ粒子として扱い，電場や磁場は計算格子上で求めます．そのため，空間電荷の影響が強いビーム輸送や，ビームと電磁場の相互作用を調べる問題に適しています．
計算テクニック
PIC シミュレーションでは，計算時間やメモリー使用量を意識した設定が必要になることがあります．ここでは，時間ステップの調整方法をメモとしてまとめます．
計算時間ステップ
PIC シミュレーションの時間ステップ幅は，通常はプログラムが自動的に設定します．マニュアルには算出方法が明記されていませんが，ログファイルや出力ファイルから実際の値を確認できます．最も簡単なのは，Solver Results に表示される Time step width を確認する方法です．
このタイムステップは自動設定ですが，手元で確認した範囲ではクーラン条件と同程度かそれ以下になっていました．ただし，バンチの細かい時間構造を見たい場合などには，さらに短いステップ幅が必要になることがあります．メッシュを細かくすれば時間ステップも小さくできますが，必要なメモリーが増え，メモリー不足を招くことがあります．メモリー使用量を大きく増やさずに時間ステップを短くするには，以下の設定を変更します．
- Simulation > Solver > Setup Solver をクリックし，Particle in Cell Solver Parameters ダイアログを開きます．
- をクリックし，Special PIC Solver Parameters ダイアログを開きます．
- タブ General を選び，Stability factor for timestep の値を変更します．
- 1.0（デフォルト）では，プログラムが自動設定した時間ステップをそのまま使います．
- 例えば 0.5 にすると，時間ステップは自動設定値の 0.5 倍になります．
このように時間ステップを短くできます．パルスの時間構造を評価する場合は，モニター出力側のステップ幅も合わせて短くする必要があります．例えば，PIC 2D Monitors を使う場合は，Time settings の Step width も小さく設定します．
ページ作成情報
参考資料
- CST Studio Suite Low Frequency Simulation．基本的なことが書かれています．
更新履歴
| 2023年07月16日 | ページの新規作成 |
| 2026年03月07日 | 文章を見直し，説明の誤りと分かりにくい表現を修正 |