VSim电磁粒子仿真技术

VSim专业电磁粒子仿真美国Tech-X公司由JohnR.Cary博士创立，总部设在美国科罗拉多州博尔德市，是专业的等离子技术软件供应商。Tech-X公司的产品主要包括电磁粒子仿真软件VSim和电磁流体仿真软件USim。VSim软件提供的独特物理模型涵盖整个等离子体和射频领域的仿真问题，借助于VSim强大的并行算法，诸多应用领域问题得以求解，例如激光等离子相互作用、高功率微波器件、真空电子器件、脉冲功率、高压放电、加速器等。VSim软件支持从笔记本、台式机到超级计算机，从单核到数万核并行的多操作系统平台。USim软件是支持等离子体、高超声速流体、化学反应流体模拟的专业电磁流体仿真软件，是求解高超声速流体力学、高能密度物理、天体物理、电气工程等领域复杂问题的高端工具。VSim软件发展VSim软件是一款灵活的包含电磁场、粒子和等离子体物理的软件，起源于2001年为美国政府部门应用所做的开发。VSim早期版本称为VORPAL，主要用于解决联邦政府面临的种种难题，包括等离子体加速、加速器腔建模、磁约束核聚变的研究等。2004年9月30日，Nature杂志封面展示了VORPAL软件对激光尾场加速的仿真结果，对相关实验的成功有重大的指导意义。2012年11月，推出VSim6.0。VSim6.0全面更新了碰撞和蒙特卡洛模块，另有用于全电磁场模拟的新增功能，其便携性和易用性进一步改进。VSim6.0软件能在日益增长的商业需求方面做的更好。VSim软件功能模块模块功能应用VSimBase等离子体Particle-In-Cell算法；电磁场FDTD算法；静电场Poisson算法。对等离子体基础理论问题的分析。VSimPA超强激光和高能粒子运动；LorentzBoostedFrame；相对论流体模型；色散控制；激光场致电离；高阶粒子插值。用于超快超强激光与物质相互作用研究；高强度激光场下等离子体的运动及其对激光的反作用，如激光的聚焦、整形和衍射、高能粒子的形成、靶面物理等；强激光与等离子体物理方面的研究，例如激光等离子体加速器、惯性约束聚变等。VSimMD复杂形状导体/电介质；电子束发射源仿真；电磁场的滤波；S参数计算；二次电子仿真；复杂边界条件。用于真空粒子束微波源及微波器件研究；粒子束在真空腔体中传播及与腔内电磁波相互作用的仿真，如各种真空微波源(磁控管，行波管，速调管，回旋管等)及其附属器件(电子枪，磁聚焦系统，收集器，耦合器等)的设计优化；真空器件的二次电子倍增(Multipacting)过程仿真。VSimPD射频/直流条件下的腔体和电介质仿真；带电粒子与背景气体间、带电粒子之间的碰撞，包括弹性碰撞，激发，电离，复合；带电粒子与壁面的作用，如二次电子发射、溅射等。用于放电等离子源及材料处理研究；各种低气压的射频-直流等离子体源(如磁控溅射，CCP，ICP，空心阴极)及小尺寸的大气压放电(如介质阻挡放电)设备的研究和设计；粒子束和背景气体的相互作用；研究借助放电过程工作的设备，如等离子体推进器等。VSimEM支持复杂外形金属和电介质；入射/出射和完美匹配层(PML)边界；非理想和非各向同性电介质的支持；S参数、总场-散射场变换、远场计算；谐振腔模式分析；GPU电磁场计算。用于高端电磁场和电磁波问题研究；电磁波在各种复杂介质中传播；在目标上的散射模拟，如光子晶体研究；雷达和天线设计；谐振腔腔体设计；电磁波在目标上的吸收。VSim专业电磁粒子仿真软件VSim是包含全电磁模型的粒子仿真软件，是等离子体、微波与真空电子器件、脉冲功率与高电压、加速器、放电等离子体等领域的尖端仿真工具。VSim物理基础MaxwellParticlesourcesParticledynamicsMaxwellParticlesourcesParticledynamicsVSim功能特征Particle-In-Cell模型VSim使用PIC算法(Particle-in-Cell)来模拟等离子体的演化。等离子体粒子之间以及和外界的相互作用通过电磁Maxwell方程组或者静电Poisson方程求解，等离子体粒子的运动利用宏粒子的相对论运动方程跟踪。这一模型可以有效地处理各种动理学(kinetics)和束流效应。电磁场模型VSim使用MultiField作为场模型的基本框架，在框架内可以选择任何合适的电磁场模型，标准模型为Yee网格的电磁场建模和基于Poisson方程的静电场建模。内置的Maxwell和Poisson求解器可以进行激光/微波/射频/直流设备的建模，支持各种复杂的介电、介磁和电导行为。复杂几何外形和网格处理VSim允许用户自定义复杂几何模型或直接导入STL格式CAD文件，对器件的曲边部分使用梯形或者三角形近似来获得较为准确的逼近；在电磁建模和粒子发射模型中都支持复杂曲面的设定，利用Dey-MittraCuttingCell技术支持复杂边界曲面上的电磁场模型，对曲面和复杂构型能够有效地提高电磁场计算的精度。金属和电介质结构都支持复杂外形的嵌入；在粒子发射模型中CuttingCell技术可以提高发射粒子的速度和通量精度。可用于对3D全尺寸全物理的实际工程结构进行模拟。碰撞和蒙特卡洛模型VSim通过蒙特卡洛模块引入对粒子间碰撞和原子-分子电离过程的建模支持。模块中包括传统的虚碰撞模型，也包括遍历所有模拟粒子抽样的无偏选择模型和空选择模型。碰撞模块支持电子-原子的弹性散射，激发，电离；离子和背景原子的碰撞；粒子之间的一对一碰撞；电子-离子碰撞多次电离以及碰撞复合；原子的场致电离；不稳定粒子的衰变等等粒子源模型VSim支持各种带电粒子发射模型，包括光电离，热阴极发射，场致发射，壁面二次电子产生等等，可以对各种阴极和束流注入进行有效的建模。MultiFieldVSim的MultiField框架中允许用户对电磁场模型进行修订和二次开发，用户可以自定义电磁场的差分格式和推进步骤；也可以处理各种色散模型；在需要多物理场建模的情况下，用户可以自定义其他场（如热场，流场等）并且和电磁场耦合处理。MultiField接口中提供各种求解器由用户任意组合，内置的线性方程组求解器还可以允许用户在底层重新构造求解器。大规模并行运算VSim支持基于MPI的并行模拟，求解器具有很高的并行效率，在几个到上万个核的系统之间可以平滑过渡。对于大规模模拟，直到上万个核的并行仍然能获得很好的并行效率高级技术VSim引入了LorentzBoostedFrame，色散控制（无色散）格式，电磁场滤波等用于专门问题的方法，对特定的物理问题提供更好的支持和仿真。VSim应用范围和目标一、激光与等离子体相互作用 VSim提供超快超强激光与等离子体之间相互作用的仿真能力，可以用于研究超快超强在等离子体中的传播、整形、聚焦和折射/反射；激光和固体靶的相互作用；超热电子形成；激光等离子体加速带电粒子等过程的物理机制和实验设计。这些功能可以用于惯性约束核聚变(ICF)、激光等离子体加速器(LPA)和相关其他方向的实验仿真和理论研究。二、微波源与微波器件研究 VSim提供电子束和微波相互作用的仿真能力，能够处理微波在腔内的产生、传播、放大；电子束和微波之间的能量交换等过程。可以用于研究各种真空微波源和放大设备，如磁控管、回旋管、行波管、速调管、返波管等的理论研究和优化设计；也可以用于设计配套的电子枪/阴极、收集级、谐振腔等设备，或对微放电等设备内部过程进行机理研究。三、高电压击穿与脉冲功率设备 VSim提供了高电压强电场下电子束发射和传播的模拟能力，可以用于脉冲高压和脉冲功率设备的研究，如强流二极管、磁绝缘传输线、金属化塑料膜电容器等的设计；或用于高电压下真空/充气设备的火花、闪络、击穿等过程的理论研究。四、粒子加速器研究与设计 VSim提供对粒子束-腔体-电磁场模拟的能力，可以用于大尺寸的腔体设计和束流传输模拟，从而提供对加速器设计中的束流演化和电磁场行为的模拟，目前这些功能已经用于加速器的光阴极、注入电子枪、冷却器以及腔内尾场形成的仿真和设计。五、放电等离子体与材料处理 VSim提供对粒子之间碰撞和电离过程的蒙特卡洛模拟能力，以及对表面溅射过程的模拟能力。VSim能够用于各种等离子体源设备，如磁控溅射、容性/感性耦合等离子体、介质阻挡放电、空心阴极设备等的研究和仿真。六、航天与空间等离子体研究 VSim的放电等离子体研究能力可以用于各种卫星用等离子体推进器的设计，如离子推进器、霍尔推进器等；也提供开放空间中等离子体和导体、电介质相互影响的仿真能力，从而可以用于电离层或远空间中带电粒子和航天器相互作用的研究，如分析卫星在空间中积累电荷导致失效等问题。七、复杂介质中的电磁波 VSim提供对各种具有复杂介电、介磁、色散和漏电特性的介质的仿真能力，这种能力可以用于像光子晶体或左手介质材料的设计和理论分析；也可以用于各种电磁波在复杂介质中的传播和吸收，例如生物体的电磁性质等。八、雷达与天线设计 VSim的大尺寸高精度电磁场FDTD建模能力可以用于研究雷达天线辐射和近场性能，各种目标物体在空气或水中的雷达特性等。九、二次开发与其他多物理场建模 VSim提供了自定义微分方程和差分算法的能力，从而可以作为一种强有力的多物理场时域建模工具，这种功能已经被应用于托卡马克中的等离子体行为、微波腔的热-电耦合等问题中。VSim应用实例1.激光等离子体相互作用VSim程序可以模拟超快超强激光与等离子体的相互作用，包括激光驱动等离子体加速带电粒子，超强激光在等离子体通道中的传播，超快超强激光和靶面的相互作用等。这可以用于激光加速器，惯性约束聚变中的快点火研究。VSim对激光尾场加速的仿真结果作为2004年9月Nature杂志封面。例1.激光等离子体加速器加速电子VSim在原有的基础上进一步发展了对激光等离子体相互作用模拟的能力，引入了色散控制和LorentzBoostedFrame、碰撞光束等技巧。下面是一些典型的结果，如电磁场分布、等离子体密度、电子相空间分布等。例2.空泡加速中的betatron振荡(PRL100,095002(2008)VSim的记录和分析能力用来跟踪电子在空泡内的运动，包括旋转振荡过程。例3.强激光和固体靶相互作用(PHYSICSOFPLASMAS16,093112)VSim被用来研究激光照射在多层靶上发生的离子加速过程。例4.带孔靶上的离子加速过程(PHYSICSOFPLASMAS16,073106)这个案例研究激光在孔靶上的传播和离子加速。2.微波源与微波器件研究VSim可以用于微波和电真空器件的运行仿真、器件优化设计等；分析器件的可靠性与失效阈值(微放电、击穿、真空或气体中介质窗的沿面闪络过程等)；并行大规模模拟能力使得VSim可以用于仿真THZ波段微波真空器件。CuttingCell网格技术可以仿真各种不规则形状的腔体和微波设备。例5.速调管模拟VSim被用于研究各种多注多腔速调管中微波的产生和放大过程，并分析腔内热点。例6.磁控管模拟VSim被用来研究磁控管中电子的行为和电磁波模式。例7.梯状行波管模拟(IEEETRANSACTIONSONELECTRONDEVICES,VOL.57,NO.12,DECEMBER2010)利用金属梯结构和夹持杆设计了新型V波段行波管，在这个例子中，VSim用于详细仿真，包括电子束的运动、行波管的增益、阻抗等。“VSimhasbeeninvaluabletousindesigningourladdertypeTWT,”saidProfessorHeatherSongoftheUniversityofColoradoatColoradoSprings.“Noothercodeavailabletouscouldgivethenonlinearbeamdynamicsofthiskindofdevice.WithoutthedistributedcomputingcapabilitiesofVSIM,theserunswouldhavetakenmonths,makingthemeffectivelyimpossible.Also,theTech-Xsupportstaffwasagreathelpwithsettingupourproblemandgettingustoasolution.”例8.螺旋线行波管模拟下图是螺旋线行波管的一个例子，VSim的三维处理能力可以正确建模螺旋结构，用于详细仿真和性能预测。例9.回旋管电子枪模拟(1.5MW,MIT)VSim的3D建模分析能力用来研究回旋管注入电子枪的发射特性。例10.返波管模拟返波管是典型的高功率微波器件之一，VSim用来研究电子束的运动和微波输出功率。电子束的传播和动量变化电子相空间电子相空间x-能量图磁场Bz分量图例11.SPFEL模拟(APPLIEDPHYSICSLETTERS96,151502(2010))Smith-Purcell自由电子激光也被视为一种可能的微波源设备，这里用VSim研究了THZSPFEL的可行性。例12.微放电/二次电子倍增模拟(ProceedingsofPAC09,Vancouver,BC,Canada)VSim可以跟踪Multipacting过程中二次电子数的变化，也可以跟踪包括倍增和弹射过程在内的单个电子轨道，细致分析二次电子倍增过程的机理。结构电子倍增电子轨道例13.射频腔体微放电模拟(IEEEInternationalPowerModulatorandHighVoltageConference,Atlanta,GA,May2010.)。在这个研究中，射频腔中的电子由于Multipacting过程而增长并引起破坏和击穿，VSim可以跟踪这个过程。3.高电压击穿与脉冲功率设备VSim可以用于研究电脉冲的传播及在强电场作用下的击穿和放电过程。这可以用于对各种脉冲功率器件的设计和优化，及高功率、高电压下设备击穿过程的分析，绝缘和开关设备的设计。例14.沿面闪络(LLNL)(17thIEEEInternationalPulsedPowerConference,WashingtonD.C.,2009)真空沿面闪络是制约脉冲功率系统性能的最主要的因素，LLNL利用VSim对真空沿面闪络过程的模拟显著推进了我们对这一复杂过程的认识。模型二次电子发射例15.平行板斜面介质沿面闪络过程全程模拟利用VSim的大粒子数分析和雪崩控制能力，可以跟踪闪络发生和发展的整个过程。下面是平行板电极-45度锥角环氧树脂系统中发生的闪络过程的全程跟踪，25KV电压脉冲由右侧进入，下方为阴极，上方为阳极。可以看到脉冲对闪络的驱动过程以及脉冲消失后电子束的扩散。例16.激光触发指状电极沿面放电模拟利用激光照射电极表面，可以触发出电子注，并形成电极间放电。下面是一个这种放电过程的模拟研究，两个指状电极贴紧在环氧树脂介质表面，电极之间加10KV电压。紫外激光照射在电极和介质接触的三相点附近，立刻引发起电子发射，随即发生电子倍增和闪络。图中显示了电子注的产生和运动，并由于静电斥力而发散。例17.充气波导高功率微波击穿模拟由于漏气的影响，波导管内混入空气，当高功率微波进入的时候，空气电离并导致波导管击穿，VSim可以跟踪这个快速击穿的全过程，分析击穿的时间和阈值，脉冲缩短过程。4.加速器技术VSim已经用于各种高能加速器和强流加速器中的阴极，加速腔、注入器、电子冷却等单元的设计，用于研究高能粒子束的运动及其空间电荷效应的影响、背景等离子体对粒子束的影响，腔内尾场的形成等。从而对设计加速腔、冷却器等部件提供帮助。例18.A15Crab腔模拟超导射频腔是加速器中的重要部件，VSim被用于校核A15crab腔体并提供更准确的频率计算和匹配精度。腔体结构电场分布电磁场剖视图“PrevioussimulationresultsfortheA15cavityshoweda2.8MHzdiscrepancywithexperimentalmeasurementsintheresonantfrequencyofthepimode.UnderstandingthisdiscrepancywasdifficultbutmademucheasierwiththeuseofVSim[thencalledVORPAL].WorkingwithTech-Xscientists,wediscoveredmachiningerrorswhich,whilewithininitiallyspecifiedtolerances,wereneveraccountedforinprevioussimulations.Oncethiswascorrectedinthesimulation,wesawanaccuracyof1partin10^4intheresonancefrequencyofthepimode.Understandingthisdiscrepancyimprovedourconfidencein,andunderstandingtheprocessof,designingthesekeycomponentsforthenextgenerationofaccelerators.”–Dr.LeoBelantoni,Fermilab例19.加速器中电子冷却器部件模拟(ProceedingsofEPAC08,Genoa,Italy)相对论重离子对撞机中的电子冷却器由于其高能量和尺度带来了仿真中的巨大困难。VSim用于对冷却过程的机制进行验证和对设计参数进行优化。设备概念图模拟粒子分布例20.金刚石阴极模拟(PRL105,164801(2010))在这个研究中，VSim被用来研究电子在金刚石阴极中的倍增过程。设备结构电子倍增过程电子增益比例21.超导直线加速器中的尾场模拟(PRL108,034801(2012))高能粒子束通过周期腔体结构时可以产生尾场，在这个研究中VSim用来研究尾场的形成和转换比。5.放电等离子体与材料处理VSim可以用于材料表面处理工艺中等离子体放电设备，如低气压下的磁控溅射、空心阴极放电、ICP、CCP、大气压下的介质阻挡放电等设备的机理分析、设备设计和参数优化等。也可以用于类似的离子源设备仿真和设计。例22.空心阴极电子发射模拟(NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchB261(2007)204–208)VSim可以模拟小尺寸空心阴极的放电过程。设备结构粒子的相空间分布和电离图例23.介质阻挡放电(DBD)模拟(40thFluidDynamicsConferenceandExhibit,2010,Chicago,Illinois.AIAA2010-5101)利用VSim的粒子雪崩控制和电荷追踪能力，可以跟踪小尺寸大气压介质阻挡放电的全过程。设备结构等离子体密度电势分布电子分布图例24.DBD医学应用模拟DBD技术可望被用于进行皮肤病的医疗，VSim的DBD分析能力可以用来研究这类问题。例25.磁控溅射模拟MagnetronPlasmaSputtering(韩国LG)VSim可以研究磁控溅射过程中的等离子体和粒子分布。设备结构磁场分布粒子分布“VSimwasanessentialtoolforusinourmodelingofmagnetronsputtering,”saidGeejoLee,managerofProcessCITeam,LGDisplayCo.,LTD.“ThankstothevastarrayofcapabilitiesavailablethroughVSimincludingbothphysicsanditsparallelcomputation,wewereabletoaccuratelypredicttheerosionprofilesfromourcurrentdesignsandVSimcontinuestoallowustooptimizeourdesignsforthefuture.ThesupportstaffatTech-Xwasalsoextremelyhelpfulduringtheinitialset-upandmodelingprocess.”6.航天与空间等离子体研究VSim能够用于星载等离子体发动机的设计和优化，可以仿真卫星在电离层和太阳风中运动时受到粒子轰击导致的各种电荷累积行为。例26.霍尔发动机的仿真利用VSim对标准的SPT100霍尔推进器进行了仿真，在实验误差范围内，推进力的模拟结果和实验结果相同；VSim还可以研究通道内的侵蚀过程。SPT100外形和仿真模型离子分布电子分布通道侵蚀的模拟结果，红色方块是实验结果例27.离子发动机的仿真IonThruster是另一种常用的等离