VSim 專業電磁粒子仿真軟件

VSim是包含全電磁模型的粒子模擬軟件,是等離子體、微波與真空電子器件、脈衝功率與高電壓、加速器、放電等離子體等領域的尖端仿真工具。


1. Tech-X公司介紹

美國Tech-X公司由John R. Cary博士創立,總部設在美國科羅拉多州博爾德市,是專業的等離子技術軟件供應商。公司的產品和技術緊跟等離子體領域的最新科研成果,是該領域全球最大的商業化軟件技術公司。公司以技能的專業化和技術的創新性為最終追求,同時致力於創造能夠實現大規模計算以及更好理解物理過程的軟件產品,即在台式機到超級計算機各類計算機係統上,均能實現與等離子體物理、聚變、加速器技術相關的物理係統和過程的模擬,以增加對複雜物理現象的認識。公司軟件與技術在美國多個國家級實驗室得到應用,並承擔了能源、國防部門的多項課題。自澳門威尼斯人導航網址公司將其引進國內以來,眾多國內客戶對軟件表達了濃厚的興趣並取得成功應用。

Tech-X公司的產品主要包括電磁粒子仿真軟件VSim和電磁流體仿真軟件USim。

VSim軟件提供的獨特物理模型涵蓋整個等離子體和射頻領域的仿真問題,借助於VSim強大的並行算法,諸多應用領域問題得以求解,例如激光等離子相互作用、高功率微波器件、真空電子器件、脈衝功率、高壓放電、加速器等。VSim軟件支持從筆記本、台式機到超級計算機,從單核到數萬核並行的多操作係統平台。

USim軟件是支持等離子體、高超聲速流體、化學反應流體模擬的專業電磁流體仿真軟件,是求解高超聲速流體力學、高能密度物理、天體物理、電氣工程等領域複雜問題的高端工具。


2. VSim軟件發展

VSim軟件是一款靈活的包含電磁場、粒子和等離子體物理的軟件,起源於2001年為美國政府部門應用所做的開發。VSim早期版本稱為VORPAL,主要用於解決聯邦政府麵臨的種種難題,包括等離子體加速、加速器腔建模、磁約束核聚變的研究等。

2004年9月30日,Nature雜誌封麵展示了VORPAL軟件對激光尾場加速的仿真結果,對相關實驗的成功有重大的指導意義。

2012年11月,推出VSim 6.0。VSim6.0全麵更新了碰撞和蒙特卡洛模塊,另有用於全電磁場模擬的新增功能,其便攜性和易用性進一步改進。VSim6.0軟件能在日益增長的商業需求方麵做的更好。目前版本VSim8.0。


3. VSim軟件功能模塊

VSimBase是基本模塊包,包含基本的等離子體與電磁場模擬模塊,即PIC(Particle-In-Cell)算法和電磁場(Maxwell FDTD/Poisson)模塊。可以提供對等離子體基礎理論問題的模擬分析能力,也可以用於對等離子體物理及數值模擬方法的教學。

VSimPA是用於超快超強激光與物質相互作用研究的模塊包。VSimPA提供各種對超強激光和高能粒子運動模擬進行的優化和加強,如Lorentz Boosted Frame、相對論流體模型、色散控製、激光場致電離、高階粒子插值等,可以用於研究高強度激光場下等離子體的運動及其對激光的反作用,如激光的聚焦、整形和衍射、高能粒子的形成、靶麵物理等內容。VSimPA適合強激光與等離子體物理,例如激光等離子體加速器、慣性約束聚變等方麵的研究。

VSimMD是用於真空粒子束微波源及微波器件研究的模塊包。VSimMD還支持複雜形狀導體/電介質仿真、電子束發射源仿真、電磁場的濾波、S參數計算、二次電子仿真、各種複雜邊界條件等。可以用於粒子束在真空腔體中傳播及與腔內電磁波相互作用的仿真計算,如各種真空微波源(磁控管,行波管,速調管,回旋管等)及其附屬器件(電子槍,磁聚焦係統,收集器,耦合器等)的設計優化,也可以用於研究這類真空器件中的二次電子倍增(Multipacting)過程。

VSimPD是用於放電等離子源及材料處理研究的模塊包。VSimPD支持射頻/直流條件下的腔體和電介質建模;支持帶電粒子與背景氣體之間或者帶電粒子之間的碰撞過程,包括彈性碰撞,激發,電離,複合;也支持帶電粒子和壁麵的作用如二次電子發射,濺射等。適用於各種低氣壓的射頻-直流等離子體源(如磁控濺射,CCP,空心陰極)及小尺寸的大氣壓放電(如介質阻擋放電)設備的研究和設計;粒子束和背景氣體的相互作用;也可以用於研究借助放電過程工作的設備,如等離子體推進器等。

VSimEM是為高端電磁場和電磁波問題研究封裝的模塊包。VSimEM提供了電磁場模擬中對複雜外形(曲麵邊界)金屬和電介質塊的支持;端口入射/出射和完美匹配層(PML)邊界條件;非理想和非各向同性電介質的支持;S參數、總場-散射場變換和遠場計算能力;諧振腔模式分析等功能;也支持GPU電磁場計算。VSimEM適合於電磁波在各種複雜介質中傳播、在各種目標上散射的模擬,如光子晶體研究;雷達和天線設計;諧振腔腔體設計;電磁波在目標上的吸收等方麵的研究者。

VSimSD用於砷化镓和金剛石等半導體器件的建模,它用蒙特卡洛方法跟蹤GaAs和金剛石中的電子在電磁場中的運動,可以使用靜電或者電磁模型。利用VSimSD,用戶可以跟蹤金剛石中電子和空穴的生成(金剛石中)和傳輸;GaAs中電子在外場中的漂移和擴散、被聲子和雜質散射等過程。適用於對金剛石陰極或者各種GaAs FET元件進行建模分析。

模塊 功能 應用
VSimBase 等離子體Particle-In-Cell算法;
電磁場FDTD算法;
靜電場Poisson算法。
對等離子體基礎理論問題的分析。
VSimPA 對超強激光和高能粒子運動進行仿真,如Lorentz Boosted Frame、相對論流體模型、色散控製、激光場致電離、高階粒子插值等。 用於超快超強激光與物質相互作用研究;
高強度激光場下等離子體的運動及其對激光的反作用,如激光的聚焦、整形和衍射、高能粒子的形成、靶麵物理等;
強激光與等離子體物理方麵的研究,例如激光等離子體加速器、慣性約束聚變等。
VSimMD 複雜形狀導體/電介質;
電子束發射源仿真;
電磁場的濾波;
S參數計算;
二次電子仿真;
複雜邊界條件。
用於真空粒子束微波源及微波器件研究;
粒子束在真空腔體中傳播及與腔內電磁波相互作用的仿真,如各種真空微波源(磁控管,行波管,速調管,回旋管等)及其附屬器件(電子槍,磁聚焦係統,收集器,耦合器等)的設計優化;
真空器件的二次電子倍增(Multipacting)過程仿真。
VSimPD 射頻/直流條件下的腔體和電介質仿真;
帶電粒子與背景氣體間和帶電粒子之間的碰撞過程,包括彈性碰撞,激發,電離,複合;
帶電粒子與壁麵的作用,如二次電子發射、濺射等。
用於放電等離子源及材料處理研究;
各種低氣壓的射頻-直流等離子體源(如磁控濺射,CCP,空心陰極)及小尺寸的大氣壓放電(如介質阻擋放電)設備的研究和設計;
粒子束和背景氣體的相互作用;
研究借助放電過程工作的設備,如等離子體推進器等。
VSimEM

支持複雜外形(曲麵邊界)金屬和電介質;
入射/出射和完美匹配層(PML)邊界;
非理想和非各向同性電介質的支持;
S參數、總場-散射場變換、遠場計算;
諧振腔模式分析等功能;
GPU電磁場計算。
用於高端電磁場和電磁波問題研究;
電磁波在各種複雜介質中傳播;
在目標上的散射模擬,如光子晶體研究;
雷達和天線設計;
諧振腔腔體設計;
電磁波在目標上的吸收。
VSimSD

熱電子發射;場發射;激光誘導發射;
二次電子發射;電子和空穴的生成(金
剛石中)和傳輸;電子在外場中的漂移
和擴散、被聲子和雜質散射等過程。
用於砷化镓和金剛石等半導體器件的建模,用蒙特
卡洛方法跟蹤GaAs和金剛石中的電子在靜電或電
磁場中的運動;適用於對金剛石陰極或者各種
GaAs FET元件進行建模分析。


4. VSim物理基礎與特征

Particle-In-Cell模型

VSim使用PIC算法(Particle-in-Cell)來模擬等離子體的演化。等離子體粒子之間以及和外界的相互作用通過電磁Maxwell方程組或者靜電Poisson方程求解,等離子體粒子的運動利用宏粒子的相對論運動方程跟蹤。這一模型可以有效地處理各種動理學(kinetics)和束流效應。


電磁場模型

VSim使用MultiField作為場模型的基本框架,在框架內可以選擇任何喜歡的電磁場模型,標準模型為Yee網格的電磁場建模和基於Poisson方程的靜電場建模。內置的Maxwell和Poisson求解器可以進行激光/微波/射頻/直流設備的建模,支持各種複雜的介電、介磁和電導行為。


複雜幾何外形和網格處理

VSim允許用戶自定義複雜幾何模型或直接導入STL格式CAD文件,對器件的曲邊部分使用梯形或者三角形近似來獲得較為準確的逼近;在電磁建模和粒子發射模型中都支持複雜曲麵的設定,利用Dey-Mittra Cutting Cell技術支持複雜邊界曲麵上的電磁場模型,對曲麵和複雜構型能夠有效地提高電磁場計算的精度。金屬和電介質結構都支持複雜外形的嵌入;在粒子發射模型中Cutting Cell技術可以提高發射粒子的速度和通量精度。可用於對3D全尺寸全物理的實際工程結構進行模擬。


碰撞和蒙特卡洛模型

VSim通過蒙特卡洛模塊引入對粒子間碰撞和原子-分子電離過程的建模支持。模塊中包括傳統的虛碰撞模型,也包括遍曆所有模擬粒子抽樣的無偏選擇模型和空選擇模型。碰撞模塊支持電子-原子的彈性散射,激發,電離;離子和背景原子的碰撞;粒子之間的一對一碰撞;電子-離子碰撞多次電離以及碰撞複合;原子的場致電離;不穩定粒子的衰變等等


粒子源模型

VSim支持各種帶電粒子發射模型,包括光電離,熱陰極發射,場致發射,壁麵二次電子產生等等,可以對各種陰極和束流注入進行有效的建模。


MultiField

VSim的MultiField框架中允許用戶對電磁場模型進行修訂和二次開發,用戶可以自定義電磁場的差分格式和推進步驟;也可以處理各種色散模型;在需要多物理場建模的情況下,用戶可以自定義其他場(如熱場,流場等)並且和電磁場耦合處理。MultiField接口中提供各種求解器由用戶任意組合,內置的線性方程組求解器還可以允許用戶在底層重新構造求解器。


大規模並行運算

VSim支持基於MPI的並行模擬,求解器具有很高的並行效率,在幾個到上萬個核的係統之間可以平滑過渡。對於大規模模擬,直到上萬個核的並行仍然能獲得很好的並行效率


高級技術

VSim引入了Lorentz Boosted Frame,色散控製(無色散)格式,電磁場濾波等用於專門問題的方法,對特定的物理問題提供更好的支持和仿真。


5. VSim應用領域


1) 激光與等離子體相互作用
    VSim 提供超快超強激光與等離子體之間相互作用的仿真能力,可以用於研究超快超強在等離子體中的傳播、整形、聚焦和折射/反射;激光和固體靶的相互作用;超熱電子形成;激光等離子體加速帶電粒子等過程的物理機製和實驗設計。這些功能可以用於慣性約束核聚變(ICF),激光等離子體加速器(LPA)和相關其他方向的實驗仿真和理論研究。
2) 微波源與微波器件研究
    VSim 提供電子束和微波相互作用的仿真能力,能夠處理微波在腔內的產生、傳播、放大;電子束和微波之間的能量交換等過程。可以用於研究各種真空微波源和放大設備,如磁控管、回旋管、行波管、速調管、返波管等的理論研究和優化設計;也可以用於設計配套的電子槍/陰極、收集級、諧振腔等設備,或對微放電等設備內部過程進行機理研究。
3) 高電壓擊穿與脈衝功率設備
    VSim提供了高電壓強電場下電子束發射和傳播的模擬能力,可以用於脈衝高壓和脈衝功率設備的研究,如強流二極管、磁絕緣傳輸線、金屬化塑料膜電容器等的設計;或用於高電壓下真空/充氣設備的火花、閃絡、擊穿等過程的理論研究。
4) 粒子加速器研究與設計
    VSim提供對粒子束-腔體-電磁場模擬的能力,可以用於大尺寸的腔體設計和束流傳輸模擬,從而提供對加速器設計中的束流演化和電磁場行為的模擬,目前這些功能已經用於加速器的光陰極、注入電子槍、冷卻器以及腔內尾場形成的仿真和設計。
5) 放電等離子體與材料處理
    VSim提供對粒子之間碰撞和電離過程的蒙特卡洛模擬能力,以及對表麵濺射過程的模擬能力。VSim能夠用於各種等離子體源設備,如磁控濺射、容性耦合等離子體、介質阻擋放電、空心陰極設備等的研究和仿真。
6) 航天和空間等離子體研究
    VSim的放電等離子體研究能力可以用於各種衛星用等離子體推進器的設計,如離子推進器、霍爾推進器等;也提供開放空間中等離子體和導體、電介質相互影響的仿真能力,從而可以用於電離層或遠空間中帶電粒子和航天器相互作用的研究,如分析衛星在空間中積累電荷導致失效等問題。
7) 複雜介質中的電磁波
    VSim提供對各種具有複雜介電、介磁、色散和漏電特性的介質的仿真能力,這種能力可以用於像光子晶體或左手介質材料的設計和理論分析;也可以用於各種電磁波在複雜介質中的傳播和吸收,例如生物體的電磁性質等。
8) 雷達和天線設計
    VSim的大尺寸高精度電磁場FDTD建模能力可以用於研究雷達天線輻射和近場性能,各種目標物體在空氣或水中的雷達特性等。
9) 半導體器件研究
    用戶可以跟蹤金剛石中電子和空穴的生成(金剛石中)和傳輸;GaAs中電子在外場中的漂移和擴散、被聲子和雜質散射等過程。適用於對金剛石陰極或者各種GaAs FET元件進行建模分析。
10) 二次開發和其他多物理場建模
    VSim提供了自定義微分方程和差分算法的能力,從而可以作為一種強有力的多物理場時域建模工具,這種功能已經被應用於托卡馬克中的等離子體行為、微波腔的熱-電耦合等問題中。


6. 用戶與合作夥伴

作為全球著名等離子體技術供應商,Tech-X公司的客戶和合作夥伴包括:

1) 基礎研究與科研機構

 

2) 航空航天

 

3) 國防軍工

 

4) 能源

 

5) 電子與電氣工程

 

6) 醫學

 

7) 大學

 

 

2.激光等離子體作用
3.微波源與微波器件研究
4.高電壓放電與脈衝功率設備
5.加速器應用
6.放電等離子體與材料處理
7.航天與空間等離子體研究
8.複雜介質中的電磁波
9.雷達與天線設計
10.多物理場仿真