VSim 专业电磁粒子仿真软件


-- 微波源与微波器件应用

    VSim可以用于微波和电真空器件的运行仿真,优化器件设计;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。

    VSim能够计算的模型包括:
    微波管类设备,包括速调管,行波管,磁控管,回旋管,返波管等等
    粒子源设备,包括电子枪/热阴极,加速器的光阴极,离子源等等
    击穿过程,包括高功率设备的微放电和微波、射频击穿
    ......


1. VSim技术特点

    微波和真空器件是应用电子设备中一个大类,常见类型包括各种微波管/源、电子枪(热阴极设备)、微放电(Multipacting)设备、加速器的光阴极、离子源设备等等
    这类电真空器件的基本行为由腔中的电磁场以及注入的粒子束实现,粒子束用PIC(Particle in Cell)方法建模,跟踪粒子的运动轨道。电磁场用FDTD方法建模,跟踪电磁场的时间演化。
    专业等离子体模拟软件VSim同时支持对系统的电磁(FDTD)和静电模型建模,并允许引入电压-电流反馈来稳定输入电压;支持各种复杂的几何外形的建模,并可以导入CAD软件产生的STL文件建立几何外形;支持各种电子发射设置及各种复杂的的发射曲面。
    通过VSim的粒子模拟,设计者可以分析各类设备的带电的运动轨迹,发射能谱和空间分布以及电位、电流分布等等,从而对优化各种设计参数、研究失效和击穿提供有力帮助。
    VSim 能广泛用于各种高功率微波发生器(虚阴极振荡器,磁绝缘传输线振荡器等)、微波模式转换器、高功率微波波导及其击穿,真空或气体中的介质窗的沿面闪络过程等模拟。VSim 软件引入各种种子电子产生机制、粒子合并机制及更多的气体和电离模型,描述雪崩过程中的各种物理机制等。
    VSim 具有的独特能力,能够模拟复杂的的几何结构和多物理过程,能够耦合蒙特卡洛过程模拟原子分子过程,能够耦合直接蒙特卡洛过程模拟中性气体,因此可以用于多种直流和射频电子源和离子源的模拟。

    VSim软件在微波和电真空器件设计应用中的主要优势为:
    1) 在电磁场建模方面,VSim除了允许全电磁建模之外,还允许对射频/低频问题使用静电模型进行电磁场建模,使得模拟可以在有意义的时间内完成。
    2) 除了标准的电磁场和静电模型外,VSim允许用户通过MultiField进行自定义的其他场如流场等进行建模,从而实现多物理场模拟。
    3) 在放电研究和模拟方面,VSim支持对电子-离子-原子碰撞过程的建模,包括碰撞电离,激发,弹性散射和衰变等等。也允许用户定义中性气体背景,并跟踪中性粒子的运动。此外也可以对二次电子生成,场致电离和光电子生成等现象进行建模。
    4) 在实际器件模拟中,经常碰到不规则形状的设备。VSim支持从CAD软件导入复杂几何外形,并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。
    5) VSim设计时就作为并行软件进行开发,并且吸收了10年来软件工程的新发展,在集群和多核计算机上能够实现大规模的高性能三维模拟。
    6) VSim被设计成支持多种领域的等离子体问题的研究,适合很大范围的等离子体研究领域,除了微波设备之外,也可以用于射频/直流放电,加速器,激光等离子体物理,粒子束技术,光子晶体等多种研究中。


2. 真空电子器件设计应用实例

2.1 磁控管
    磁控管是典型的微波设备之一。利用VSim可以对其工作模式进行两维和三维模拟。模拟可以用来诊断各种扰动和偏离。
1. A6磁控管
    2D模拟。
    大功率(包括高电压和电流)的器件工作中,电流和腔体的互动常常导致电压的扰动。为此,需要在模拟中使用某种反馈手段来控制模拟中的驱动电压或者驱动电流。
    无扰动结构和结果:


无扰动结构

1纳秒轴向B场强

6纳秒电子分布

    有扰动结构和结果:

无扰动结构

1纳秒轴向B场强

6纳秒电子分布


    虚阴极的二次电子发射模型:


2. 微波炉磁控管热模拟
    3D模型由外部CAD软件建立,生成STL格式并导入到VSim中。频率为2.45 GHz。


导入到VSim中的模型

热点模拟

2.2 回旋管
    1.5MW MIT 回旋管如下图:

    下图是用于回旋管输入的磁注入枪设计例子。可以通过优化磁场和电压来获得更好的导流和聚焦性能。


磁场

电压


2.3 梯状行波管

    行波管也是典型的束流-腔室结构,属于直线器件。利用VSim的3D模拟可以对复杂的行波管建模仿真。应用论文参见:"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电子束

(a)1W (b)10W (c)100W电子速度曲线

"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。


2.5 收集极

    收集级用来从行波管出射束中回收能量。VSim的历史记录功能用来诊断结果,反馈功能用于控制模拟电压。应用论文参见:"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 速调管

    速调管也是常用的微波源。利用VSim的腔室建模能力很容易实现对速调管腔室的模拟。


1) 光子晶体速调管

    应用论文参见:"DESIGN OF PHOTONIC CRYSTAL KLYSTRONS", Proceedings of IPAC'10, Kyoto, Japan (2010).
    单束光子晶体速调管腔体仿真

(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束光子晶体速调管腔体仿真

(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) 单注速调管

    速调管模型,外加轴向磁场0.1T,中间加入7.4769GHz激励。腔体外径11mm,内径6mm,宽度14mm,中间间隙6mm,电子束漂移管外径4mm。边界采用cut-cell技术后,准确描述边界。


模型轮廓图

模型剖面图

网格剖分图(60*48*48)

网格剖分切面图

电子轴向速度三维分布图(左端注入电子束,
半径2mm,电子能量40 keV,电流3 A)

电子轴向速度Vx-x相空间分布图
从上图可以看出电子束的速度已经被调制


3) 多注速调管


2.7 反波管

     返波管(BWO)是常用的高功率微波源之一。下面是一个标准的正弦型慢波结果的返波管结构和粒子的KE相图。电子注从左端导体上一个0.4cm < R < 0.8cm的圆环上发射出来,出射的电子动能为1MeV,出射电流强度为1KA。可以看到返波管的功率输出及其频谱。整个返波管的作用长度约15厘米,获得平均功率为68MW。

    VSim的典型电磁场分布如下图,左边是Ez,右边是Bz。

2.8 光阴极器件
    VSim提供新的电子发射(场致,光致)模型用来处理光阴极等器件。



2.9 电子枪
1) 静电场电子枪


    设备的基本构型如图,右侧阴极发射出的电子束穿过控制极后加速,并在磁场作用下聚焦进入漂移管。控制极电压为250伏,漂移管电压为2万伏。聚焦磁场由外部聚焦磁体给出。
    设置电场模型后,求解出的电势分布类似下图。可以看到,漂移管部分基本是等势的。VSim允许设置只让实体的某个部分发射粒子。在粒子分布图上,可以清楚地看到粒子分成若干束的发射,经过一段时间的运行后,可以直接看到电子的空间动量(沿轴向,用颜色表示)的分布和演化。

电势云图

电子空间分布和动量
    通过VSim仿真,可以优化聚焦磁场,减少打在漂移管上的电流,增加出射电流,优化电子枪的性能。


2) 射频电子枪

    该射频电子枪用于相对论重离子对撞机,计算结果和Los Alamos National Laboratory的PARMELA的结果一致。应用论文参见:"INITIAL 3D VSim SIMULATIONS FOR RF ELECTRON GUN MODELING", Proceedings of ERL07, Daresbury, UK (2007)。



3. 微放电和击穿模拟实例

3.1高功率射频腔的击穿过程模拟
    805MHZ射频腔的击穿过程3D模拟,增加外磁场会影响到射频腔的最大允许电压阈值。应用论文参见:"High-Gradient RF Box Cavity Breakdown Simulations Using 3-D Particle Tracking Code VSim", Power Modulator and High Voltage Conference (IPMHVC), 2010 IEEE International。

蓝色—源电子
红色—二次电子

不同外间磁场方向下的二次电子数目

不同外间磁场强度下的二次电子数目


3.2 空气填充波导击穿过程

    使用VSim软件进行了空气填充的微波波导击穿过程的全三维电磁PIC/MC模拟。对击穿的整个过程进行了跟踪,观察到了击穿后发生的波导截止和微波反射。给出了电子雪崩段和击穿段的电子能谱(EED)及氮-氧电离率。在雪崩段,电子呈现明显的截尾麦克斯韦分布,在击穿后则转化为双温麦克斯韦分布。击穿过程中,氧电离率略高于氮电离率。在击穿完全发生之前,微波场分布基本上不受干扰,只有极少部分微波能量在雪崩段中消耗。
    模拟设备为一根a=2cm,b=1cm截面的矩形波导管,模拟长度为15cm。入射电磁波频率为10GHZ,工作模式为TE10。模拟中最大电子数约4.0X10^7,最大氮氧离子数分别为3.6X10^7和2.3X10^7,在一台cluster上使用最大64路并行完成。
    图1: t=15.6纳秒的电子动能分布(对X平均)。图2: t=16.8纳秒时Ex 的空间分布,剖面选择在x=Lx/2处。在原来的波峰处出现了一些破碎的峰值。


图1

图2

    图3: 入射和出射平面处记录到的微波能流包络。在开始阶段出现的微弱峰值是由于微波色散和整形效应导致的。在击穿发生后,出射能流快速截止,入射能流被反射。微波的反射导致了入射平面能流的强振荡,在包络图上,这种振荡看起来很像是入射能流的增长。图4:电离电子和离子电荷的演化。


图3

图4


3.3 微放电/二次电子倍增 / Multipacting模拟

    VSim能够进行显格式和隐格式的电磁计算,设定复杂边界条件,具有三种二次电子发射模拟,能够追踪粒子轨迹。


4. 太赫兹源与器件模拟实例

4.1 SPFEL(Smith-Purcell THz Amplifier)
    Smith-Purcell自由电子激光(SPFEL)是直线源的一类。应用论文参见:"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).

    在模拟中可以看到明显的S-P辐射。利用简化的pml可以有效模拟开放空间。

4.2 速调管--THz

    尺寸缩小的新型速调管结构可以作为一种有前途的THZ源使用。下面是一款这样设计的微型速调管。由于尺寸的缩小,需要更大的计算量和更准确的腔室建模。VSim在这方面提供了良好的设计。应用论文参见:"A Microfabricated Klystron Amplifier for THz Waves",22nd IVNC,Hamamatsu,Japan,July 20-24 (2009).

 

 

1.VSim软件简介
2.激光等离子体作用
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