INP 專業粒子源與束流傳輸仿真軟件

INP軟件技術起源於德國重離子研究中心(GSI)。

INP是一組仿真程序的集合,用於研究粒子源的輸出 (KOBRA3-INP, AXCEL-INP),溫度計算(DOT-INP)以及磁場計算(MAGNET-INP)。

AXCEL-INP

用於粒子源和束流傳輸的2維仿真程序。目前支持ECR離子源、激光離子源和電子槍。

DOT-INP

2維溫度場計算程序,支持靜態和瞬態求解。

MAGNET-INP

2維磁場計算程序,通過直接積分求得磁場結果,輸出結果可以導入KOBRA3-INP和AXCEL-INP。

KOBRA3-INP

用於粒子源和束流傳輸的3維仿真程序,包含等離子體和二次電子模型。

MAG2KOB3-INP

用於支持KOBRA3-INP的接口程序,MAG2KOB3-INP生成KOBRA3-INP所需的磁場數據表。

DXF2KOB3-INP

用於支持KOBRA3-INP的接口程序, DXF2KOB3-INP 程序讀取AutoCAD的dxf文件並生成KOBRA3-INP輸入文件。



1. INP軟件簡介

INP的基本思想是進行粒子束傳輸的模擬,例如粒子束從激光、ECR、電子槍等設備中漂移出來,再在外加電壓作用下運動直到穿過模擬區域或者被目標設備捕獲。它適用於各種離子源引出設備的仿真,或者反過來針對於目標物體(探針,金屬飛行物)捕獲粒子流或等離子體的仿真,取得其發射/傳輸/吸收特性及空間電磁場分布。



圖1. 離子源束流引出仿真的示意圖,多個電極用於實現聚焦和初步加速



圖2. 激光離子源仿真示意,為了控製能譜,激光離子源的引出必須先被加速再減速,所以設置了三個電極。



圖3.ECR離子源輸出仿真,包含磁場和Pierce構型用於提高引出效果


2. INP軟件模塊與功能

2.1 AXCEL-INP

用於粒子源和束流傳輸的2維仿真程序。支持ECR離子源、激光離子源和電子槍。

2.2 DOT-INP

溫度場計算程序,支持靜態溫度場和瞬態溫度場的求解。

2.3 MAGNET-INP

磁場計算程序,通過直接積分求得磁場結果,磁場可以由線圈產生,或者由永久磁鐵產生。輸出結果可以導入KOBRA3-INP和AXCEL-INP。

2.4 MAG2KOB3-INP

用於支持KOBRA3-INP的接口程序,MAG2KOB3-INP生成KOBRA3-INP所需的磁場數據表。



圖4. 使用2D-3D轉換得到的螺線管附近的磁場分布

2.5 DXF2KOB3-INP

用於支持KOBRA3-INP的接口程序, DXF2KOB3-INP 程序讀取AutoCAD的dxf文件並生成KOBRA3-INP輸入文件。

2.6 KOBRA3-INP

KOBRA3是一個用於粒子源和束流傳輸的3維仿真程序,包含等離子體的產生與傳輸、等離子體碰撞合並、等離子體二次電子產生與複合、粒子對壁麵的作用(吸收、二次電子、電荷沉積等)。

KOBRA3用於研究帶電粒子在外加電磁場及自生電場下的分布和傳輸。它是一個靜電模型的三維等離子體動理學模擬程序。

模擬算法有兩種,一種是穩態模擬,一種是PIC模擬。穩態模擬的算法如下:

1)用有限差分方法求解電場Poisson方程

獲得模擬區域中的電場,添加外加磁場後獲得模擬區域的總電磁場

2)設定一組帶電粒子的起點,求解帶電粒子在電磁場下的運動方程

得出一組帶電粒子的軌跡。

3)根據帶電粒子軌跡的空間平均,得出電荷密度分布

4)回到第一步,根據獲得的電荷密度分布重新求解電磁場

反複執行上述迭代,直到軌跡和電場都不再改變,就得出穩態等離子體(或者粒子束)分布。

PIC算法和前述穩態算法類似,但帶電粒子的運動被設置為單步模擬,即帶電粒子隻運行極短的一個時間(時間步)就重新求解電磁場然後循環,模擬執行到設定的物理時間而非穩態。

帶電粒子可以從電極表麵釋放或者從等離子體源區域釋放。當從電極表麵釋放時(如表麵電離或者電子槍),發射電流按照空間電荷限製的Child-Langmuir定律計算,因此可以支持陰極模型。

針對穩態離子源設備,INP使用一個Boltzmann類型的空間電荷補償算法,即認為離子漂移出穩態等離子體區域時,攜帶著反號的電荷雲。其實現方法為:對於正離子的流出,INP在電荷計算中添加電子密度:

對於負離子,添加正離子密度

是未受幹擾的等離子體密度。

在KOBRA3中,大部分粒子傳輸和等離子體相互作用問題使用穩態模擬執行。通過穩態模擬,可以得出帶電粒子的電荷、電流密度,束流發散度,穩態電磁場形狀,壓強的空間分布等等信息,為設備設計進行參考。


圖5. 等勢線分布


圖6. 空間電荷對等勢線的影響


3. INP軟件應用案例

3.1 離子束源傳輸的全結構仿真

下麵是一個離子源從源的輸出開始的完整仿真,KOBRA這裏被用來進行除了源之外的全部傳輸過程仿真。


圖7. 設備的整體結構圖



圖8. ECR源引出區的中性氣體壓強分布



圖9. 燒蝕區的壓力分布



圖10. 聚焦螺線管附近的磁場



圖11. 離子引出後的傳播和空間電場



圖12. 聚焦螺線管區域的離子分布和發散度


3.2 GSI質子加速器LEBT(low energy beam transport line)係統模擬

下麵是GSI設計的50MeV質子直線加速器的LEBT係統的一個模擬。模擬中包含三種設計:一個帶聚焦的七電極約束係統;一個五電極(真空五級管結構)加速器;一個三極管加直流加速單元。所有結構都將質子束加速到100KeV,以便注入加速器腔體。模擬使用AXCEL-INP的2維仿真實現。


圖13. 七電極約束的電勢分布和粒子軌跡圖



圖14. 引出後的離子發散度圖示



圖15. 真空五級管結構的束流圖示



圖16. 真空五級管結構的發散度圖示



圖17. 真空三極管結構的束流演化,末端電壓為35KV



圖18. 和三極管配套的直流加速係統,提供另外的65KV加速電壓



圖19. 導出後的發散度分布