VSim 专业电磁粒子仿真软件

VSim是包含全电磁模型的粒子模拟软件,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。


1. Tech-X公司介绍

美国Tech-X公司由John R. 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。公司的产品和技术紧跟等离子体领域的最新科研成果,是该领域全球最大的商业化软件技术公司。公司以技能的专业化和技术的创新性为最终追求,同时致力于创造能够实现大规模计算以及更好理解物理过程的软件产品,即在台式机到超级计算机各类计算机系统上,均能实现与等离子体物理、聚变、加速器技术相关的物理系统和过程的模拟,以增加对复杂物理现象的认识。公司软件与技术在美国多个国家级实验室得到应用,并承担了能源、国防部门的多项课题。自锦科公司将其引进国内以来,众多国内客户对软件表达了浓厚的兴趣并取得成功应用。

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。


2. 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VSim 6.0。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。目前版本VSim8.0。


3. VSim软件功能模块

VSimBase是基本模块包,包含基本的等离子体与电磁场模拟模块,即PIC(Particle-In-Cell)算法和电磁场(Maxwell FDTD/Poisson)模块。可以提供对等离子体基础理论问题的模拟分析能力,也可以用于对等离子体物理及数值模拟方法的教学。

VSimPA是用于超快超强激光与物质相互作用研究的模块包。VSimPA提供各种对超强激光和高能粒子运动模拟进行的优化和加强,如Lorentz Boosted Frame、相对论流体模型、色散控制、激光场致电离、高阶粒子插值等,可以用于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、靶面物理等内容。VSimPA适合强激光与等离子体物理,例如激光等离子体加速器、惯性约束聚变等方面的研究。

VSimMD是用于真空粒子束微波源及微波器件研究的模块包。VSimMD还支持复杂形状导体/电介质仿真、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、各种复杂边界条件等。可以用于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计算,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,也可以用于研究这类真空器件中的二次电子倍增(Multipacting)过程。

VSimPD是用于放电等离子源及材料处理研究的模块包。VSimPD支持射频/直流条件下的腔体和电介质建模;支持带电粒子与背景气体之间或者带电粒子之间的碰撞过程,包括弹性碰撞,激发,电离,复合;也支持带电粒子和壁面的作用如二次电子发射,溅射等。适用于各种低气压的射频-直流等离子体源(如磁控溅射,CCP,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;也可以用于研究借助放电过程工作的设备,如等离子体推进器等。

VSimEM是为高端电磁场和电磁波问题研究封装的模块包。VSimEM提供了电磁场模拟中对复杂外形(曲面边界)金属和电介质块的支持;端口入射/出射和完美匹配层(PML)边界条件;非理想和非各向同性电介质的支持;S参数、总场-散射场变换和远场计算能力;谐振腔模式分析等功能;也支持GPU电磁场计算。VSimEM适合于电磁波在各种复杂介质中传播、在各种目标上散射的模拟,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等方面的研究者。

VSimSD用于砷化镓和金刚石等半导体器件的建模,它用蒙特卡洛方法跟踪GaAs和金刚石中的电子在电磁场中的运动,可以使用静电或者电磁模型。利用VSimSD,用户可以跟踪金刚石中电子和空穴的生成(金刚石中)和传输;GaAs中电子在外场中的漂移和扩散、被声子和杂质散射等过程。适用于对金刚石阴极或者各种GaAs FET元件进行建模分析。

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 对超强激光和高能粒子运动进行仿真,如Lorentz Boosted Frame、相对论流体模型、色散控制、激光场致电离、高阶粒子插值等。 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和带电粒子之间的碰撞过程,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,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(曲面边界)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;
谐振腔模式分析等功能;
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。
VSimSD

热电子发射;场发射;激光诱导发射;
二次电子发射;电子和空穴的生成(金
刚石中)和传输;电子在外场中的漂移
和扩散、被声子和杂质散射等过程。
用于砷化镓和金刚石等半导体器件的建模,用蒙特
卡洛方法跟踪GaAs和金刚石中的电子在静电或电
磁场中的运动;适用于对金刚石阴极或者各种
GaAs FET元件进行建模分析。


4. VSim物理基础与特征

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喜欢的电磁场模型,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-Mittra Cutting Cell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Cutting Cell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。


MultiField

VSim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Lorentz Boosted Frame,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。


5. VSim应用领域


1) 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。
2) 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。
3) 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。
4) 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。
5) 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。
6) 航天和空间等离子体研究
    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。
7) 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。
8) 雷达和天线设计
    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。
9) 半导体器件研究
    用户可以跟踪金刚石中电子和空穴的生成(金刚石中)和传输;GaAs中电子在外场中的漂移和扩散、被声子和杂质散射等过程。适用于对金刚石阴极或者各种GaAs FET元件进行建模分析。
10) 二次开发和其他多物理场建模
    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。


6. 用户与合作伙伴

作为全球著名等离子体技术供应商,Tech-X公司的客户和合作伙伴包括:

1) 基础研究与科研机构

 

2) 航空航天

 

3) 国防军工

 

4) 能源

 

5) 电子与电气工程

 

6) 医学

 

7) 大学

 

 

2.激光等离子体作用
3.微波源与微波器件研究
4.高电压放电与脉冲功率设备
5.加速器应用
6.放电等离子体与材料处理
7.航天与空间等离子体研究
8.复杂介质中的电磁波
9.雷达与天线设计
10.多物理场仿真