VSim 專業電磁粒子仿真軟件


-- 微波源與微波器件應用

    VSim可以用於微波和電真空器件的運行仿真,優化器件設計;分析器件的可靠性與失效閾值(微放電、擊穿、真空或氣體中介質窗的沿麵閃絡過程等);並行大規模模擬能力使得VSim可以用於仿真THZ波段微波真空器件。

    VSim能夠計算的模型包括:
    微波管類設備,包括速調管,行波管,磁控管,回旋管,返波管等等
    粒子源設備,包括電子槍/熱陰極,加速器的光陰極,離子源等等
    擊穿過程,包括高功率設備的微放電和微波、射頻擊穿
    ......


1. VSim技術特點

    微波和真空器件是應用電子設備中一個大類,常見類型包括各種微波管/源、電子槍(熱陰極設備)、微放電(Multipacting)設備、加速器的光陰極、離子源設備等等
    這類電真空器件的基本行為由腔中的電磁場以及注入的粒子束實現,粒子束用PIC(Particle in Cell)方法建模,跟蹤粒子的運動軌道。電磁場用FDTD方法建模,跟蹤電磁場的時間演化。
    專業等離子體模擬軟件VSim同時支持對係統的電磁(FDTD)和靜電模型建模,並允許引入電壓-電流反饋來穩定輸入電壓;支持各種複雜的幾何外形的建模,並可以導入CAD軟件產生的STL文件建立幾何外形;支持各種電子發射設置及各種複雜的的發射曲麵。
    通過VSim的粒子模擬,設計者可以分析各類設備的帶電的運動軌跡,發射能譜和空間分布以及電位、電流分布等等,從而對優化各種設計參數、研究失效和擊穿提供有力幫助。
    VSim 能廣泛用於各種高功率微波發生器(虛陰極振蕩器,磁絕緣傳輸線振蕩器等)、微波模式轉換器、高功率微波波導及其擊穿,真空或氣體中的介質窗的沿麵閃絡過程等模擬。VSim 軟件引入各種種子電子產生機製、粒子合並機製及更多的氣體和電離模型,描述雪崩過程中的各種物理機製等。
    VSim 具有的獨特能力,能夠模擬複雜的的幾何結構和多物理過程,能夠耦合蒙特卡洛過程模擬原子分子過程,能夠耦合直接蒙特卡洛過程模擬中性氣體,因此可以用於多種直流和射頻電子源和離子源的模擬。

    VSim軟件在微波和電真空器件設計應用中的主要優勢為:
    1) 在電磁場建模方麵,VSim除了允許全電磁建模之外,還允許對射頻/低頻問題使用靜電模型進行電磁場建模,使得模擬可以在有意義的時間內完成。
    2) 除了標準的電磁場和靜電模型外,VSim允許用戶通過MultiField進行自定義的其他場如流場等進行建模,從而實現多物理場模擬。
    3) 在放電研究和模擬方麵,VSim支持對電子-離子-原子碰撞過程的建模,包括碰撞電離,激發,彈性散射和衰變等等。也允許用戶定義中性氣體背景,並跟蹤中性粒子的運動。此外也可以對二次電子生成,場致電離和光電子生成等現象進行建模。
    4) 在實際器件模擬中,經常碰到不規則形狀的設備。VSim支持從CAD軟件導入複雜幾何外形,並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。
    5) VSim設計時就作為並行軟件進行開發,並且吸收了10年來軟件工程的新發展,在集群和多核計算機上能夠實現大規模的高性能三維模擬。
    6) VSim被設計成支持多種領域的等離子體問題的研究,適合很大範圍的等離子體研究領域,除了微波設備之外,也可以用於射頻/直流放電,加速器,激光等離子體物理,粒子束技術,光子晶體等多種研究中。


2. 真空電子器件設計應用實例

2.1 磁控管
    磁控管是典型的微波設備之一。利用VSim可以對其工作模式進行兩維和三維模擬。模擬可以用來診斷各種擾動和偏離。
1. A6磁控管
    2D模擬。
    大功率(包括高電壓和電流)的器件工作中,電流和腔體的互動常常導致電壓的擾動。為此,需要在模擬中使用某種反饋手段來控製模擬中的驅動電壓或者驅動電流。
    無擾動結構和結果:


無擾動結構

1納秒軸向B場強

6納秒電子分布

    有擾動結構和結果:

無擾動結構

1納秒軸向B場強

6納秒電子分布


    虛陰極的二次電子發射模型:


2. 微波爐磁控管熱模擬
    3D模型由外部CAD軟件建立,生成STL格式並導入到VSim中。頻率為2.45 GHz。


導入到VSim中的模型

熱點模擬

2.2 回旋管
    1.5MW MIT 回旋管如下圖:

    下圖是用於回旋管輸入的磁注入槍設計例子。可以通過優化磁場和電壓來獲得更好的導流和聚焦性能。


磁場

電壓


2.3 梯狀行波管

    行波管也是典型的束流-腔室結構,屬於直線器件。利用VSim的3D模擬可以對複雜的行波管建模仿真。應用論文參見:"A 3-D Analysis of a Microfabricated Ladder Slow-Wave Structure for a Millimeter-Wave Traveling-Wave Tube",IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 57, NO. 12, DECEMBER 2010.


3D模型

(a)1W (b)10W (c)100W電子束

(a)1W (b)10W (c)100W電子速度曲線

"VSIM has been invaluable to us in designing our ladder type TWT," said Professor Heather Song of the University of Colorado at Colorado Springs. "No other code available to us could give the nonlinear beam dynamics of this kind of device. Without the distributed computing capabilities of VSIM, these runs would have taken months, making them effectively impossible. Also, the Tech-X support staff was a great help with setting up our problem and getting us to a solution."


2.4 螺旋線行波管模擬

    下圖是螺旋線行波管的一個例子,VSim的三維處理能力可以正確建模螺旋結構,用於詳細仿真和性能預測。


2.5 收集極

    收集級用來從行波管出射束中回收能量。VSim的曆史記錄功能用來診斷結果,反饋功能用於控製模擬電壓。應用論文參見:"Design of Multistage Depressed Collectors Using 3D Conformal Finite-Difference Time-Domain Particle-In-Cell Simulations",IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, June 2011.


2.6 速調管

    速調管也是常用的微波源。利用VSim的腔室建模能力很容易實現對速調管腔室的模擬。


1) 光子晶體速調管

    應用論文參見:"DESIGN OF PHOTONIC CRYSTAL KLYSTRONS", Proceedings of IPAC'10, Kyoto, Japan (2010).
    單束光子晶體速調管腔體仿真

(a). Weak field associated with stub coupler.
(b). Monopole mode confined at defect region.
(c). Dipole mode at passband.
(d). Measured reflection and power leakage compared with band-diagram.

6束光子晶體速調管腔體仿真

(a). Monopole mode at 9.37GHz.
(b). Dipole mode at 9.61GHz.
(c). Quadruple mode at 10.08 GHz.
(d). Sextuple mode at 10.35GHz.


2) 單注速調管

    速調管模型,外加軸向磁場0.1T,中間加入7.4769GHz激勵。腔體外徑11mm,內徑6mm,寬度14mm,中間間隙6mm,電子束漂移管外徑4mm。邊界采用cut-cell技術後,準確描述邊界。


模型輪廓圖

模型剖麵圖

網格剖分圖(60*48*48)

網格剖分切麵圖

電子軸向速度三維分布圖(左端注入電子束,
半徑2mm,電子能量40 keV,電流3 A)

電子軸向速度Vx-x相空間分布圖
從上圖可以看出電子束的速度已經被調製


3) 多注速調管


2.7 反波管

     返波管(BWO)是常用的高功率微波源之一。下麵是一個標準的正弦型慢波結果的返波管結構和粒子的KE相圖。電子注從左端導體上一個0.4cm < R < 0.8cm的圓環上發射出來,出射的電子動能為1MeV,出射電流強度為1KA。可以看到返波管的功率輸出及其頻譜。整個返波管的作用長度約15厘米,獲得平均功率為68MW。

    VSim的典型電磁場分布如下圖,左邊是Ez,右邊是Bz。

2.8 光陰極器件
    VSim提供新的電子發射(場致,光致)模型用來處理光陰極等器件。



2.9 電子槍
1) 靜電場電子槍


    設備的基本構型如圖,右側陰極發射出的電子束穿過控製極後加速,並在磁場作用下聚焦進入漂移管。控製極電壓為250伏,漂移管電壓為2萬伏。聚焦磁場由外部聚焦磁體給出。
    設置電場模型後,求解出的電勢分布類似下圖。可以看到,漂移管部分基本是等勢的。VSim允許設置隻讓實體的某個部分發射粒子。在粒子分布圖上,可以清楚地看到粒子分成若幹束的發射,經過一段時間的運行後,可以直接看到電子的空間動量(沿軸向,用顏色表示)的分布和演化。

電勢雲圖

電子空間分布和動量
    通過VSim仿真,可以優化聚焦磁場,減少打在漂移管上的電流,增加出射電流,優化電子槍的性能。


2) 射頻電子槍

    該射頻電子槍用於相對論重離子對撞機,計算結果和Los Alamos National Laboratory的PARMELA的結果一致。應用論文參見:"INITIAL 3D VSim SIMULATIONS FOR RF ELECTRON GUN MODELING", Proceedings of ERL07, Daresbury, UK (2007)。



3. 微放電和擊穿模擬實例

3.1高功率射頻腔的擊穿過程模擬
    805MHZ射頻腔的擊穿過程3D模擬,增加外磁場會影響到射頻腔的最大允許電壓閾值。應用論文參見:"High-Gradient RF Box Cavity Breakdown Simulations Using 3-D Particle Tracking Code VSim", Power Modulator and High Voltage Conference (IPMHVC), 2010 IEEE International。

藍色—源電子
紅色—二次電子

不同外間磁場方向下的二次電子數目

不同外間磁場強度下的二次電子數目


3.2 空氣填充波導擊穿過程

    使用VSim軟件進行了空氣填充的微波波導擊穿過程的全三維電磁PIC/MC模擬。對擊穿的整個過程進行了跟蹤,觀察到了擊穿後發生的波導截止和微波反射。給出了電子雪崩段和擊穿段的電子能譜(EED)及氮-氧電離率。在雪崩段,電子呈現明顯的截尾麥克斯韋分布,在擊穿後則轉化為雙溫麥克斯韋分布。擊穿過程中,氧電離率略高於氮電離率。在擊穿完全發生之前,微波場分布基本上不受幹擾,隻有極少部分微波能量在雪崩段中消耗。
    模擬設備為一根a=2cm,b=1cm截麵的矩形波導管,模擬長度為15cm。入射電磁波頻率為10GHZ,工作模式為TE10。模擬中最大電子數約4.0X10^7,最大氮氧離子數分別為3.6X10^7和2.3X10^7,在一台cluster上使用最大64路並行完成。
    圖1: t=15.6納秒的電子動能分布(對X平均)。圖2: t=16.8納秒時Ex 的空間分布,剖麵選擇在x=Lx/2處。在原來的波峰處出現了一些破碎的峰值。


圖1

圖2

    圖3: 入射和出射平麵處記錄到的微波能流包絡。在開始階段出現的微弱峰值是由於微波色散和整形效應導致的。在擊穿發生後,出射能流快速截止,入射能流被反射。微波的反射導致了入射平麵能流的強振蕩,在包絡圖上,這種振蕩看起來很像是入射能流的增長。圖4:電離電子和離子電荷的演化。


圖3

圖4


3.3 微放電/二次電子倍增 / Multipacting模擬

    VSim能夠進行顯格式和隱格式的電磁計算,設定複雜邊界條件,具有三種二次電子發射模擬,能夠追蹤粒子軌跡。


4. 太赫茲源與器件模擬實例

4.1 SPFEL(Smith-Purcell THz Amplifier)
    Smith-Purcell自由電子激光(SPFEL)是直線源的一類。應用論文參見:"Numerical modeling of a table-top tunable Smith-Purcell Terahertz free-electron laser operating in the super-radiant regime",Appl. Phys. Lett.96,151502 (2011).

    在模擬中可以看到明顯的S-P輻射。利用簡化的pml可以有效模擬開放空間。

4.2 速調管--THz

    尺寸縮小的新型速調管結構可以作為一種有前途的THZ源使用。下麵是一款這樣設計的微型速調管。由於尺寸的縮小,需要更大的計算量和更準確的腔室建模。VSim在這方麵提供了良好的設計。應用論文參見:"A Microfabricated Klystron Amplifier for THz Waves",22nd IVNC,Hamamatsu,Japan,July 20-24 (2009).

 

 

1.VSim軟件簡介
2.激光等離子體作用
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