VSim 专业电磁粒子仿真软件


-- 高电压放电与脉冲功率设备应用

    VSim可以用于研究电脉冲的传播及在强电场作用下的击穿和放电过程。这可以用于对各种脉冲功率器件的设计和优化,及高功率、高电压下设备击穿过程的分析,绝缘和开关设备的设计。


1. VSim技术特点和应用优势

    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软件在高电压和脉冲功率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. 典型应用案例

    VSim能够计算的模型包括:
    击穿过程,包括沿面闪络、高功率设备的微放电和微波、射频击穿、直流高压击穿;
    放电问题,包括磁控溅射、DBD放电、沉积以及等离子体开关等;
    … …


2.1 沿面闪络Flashover模拟

    真空沿面闪络是制约某些功率器件性能的最主要的因素,VSim已经被LLNL成功用于闪络初始阶段模拟。LLNL利用VSim对真空沿面闪络过程的模拟显著推进了我们对这一复杂过程的认识。应用论文参见:"Progress on Simulating the Initiation of Vacuum Insulator Flashover", 17th IEEE International Pulsed Power Conference Washington D.C., DC, United States June 29, through July 2, 2009。


1. 闪络的主要物理过程

    1) 初始电子产生:
        三相点附近的场致发射;
        微小突起/吸附气体/发射阈值较低。
    2) 电子在介质表面倍增:
        电子被加速并被介质表面电荷产生的电场拉回表面;
        介质被电子轰击后产生二次电子;
        二次电子形成雪崩过程并形成饱和电流。
    3) 表面出气并击穿的过程:
        介质表面吸附的气体分子在电子轰击下释放;
        沿着表面形成气体击穿过程。

三相点二次电子崩表面出气


2. LLNL闪络模拟的实验与VSim模拟示意图

    1) 初始电子发射:
        内置场致发射的Fowler-Nordheim模型,可直接定义定义逸出功,场增强因子,温度等参数;
        内置光电子发射模型;
        允许用户自定义电子发射模型。
    2) 电子在介质表面倍增:
        二次电子发射系数可以采用最一般的形式,并可考虑材料性质不同;
        内置Furman-Pivi唯象模型。

    允许用户自定义电子发射模型(数据可以由文件导入)。
    3) 真实的介质表面:
        采用Cutting-Cell技术,保证了介质表面形状的准确性,从而二次电子发射过程的正确描述。
    4) 静电/静磁/电磁:
        可以考虑背景气体,可以与蒙特卡洛方法考虑带电粒子与背景气体的碰撞与电离过程;
        内置Ar、氮气、氧气等中性气体,允许用户自行导入气体截面;
        可导入外磁场或采用电磁模型。

3. LLNL闪络模拟结果
1) 真空闪络中初始电子的发射过程2) 不同倾角下的静电场分布和电子轨迹


2.2 平行板斜面介质沿面闪络过程全程模拟
    利用VSim的大粒子数分析和雪崩控制能力,可以跟踪闪络发生和发展的整个过程。下面是平行板电极-45度锥角环氧树脂系统中发生的闪络过程的全程跟踪,25KV电压脉冲由右侧进入,下方为阴极,上方为阳极。可以看到脉冲对闪络的驱动过程以及脉冲消失后电子束的扩散。


2.3 激光触发指状电极沿面放电模拟

    利用激光照射电极表面,可以触发出电子注,并形成电极间放电。下面是一个这种放电过程的模拟研究,两个指状电极贴紧在环氧树脂介质表面,电极之间加10KV电压。紫外激光照射在电极和介质接触的三相点附近,立刻引发起电子发射,随即发生电子倍增和闪络。图中显示了电子注的产生和运动,并由于静电斥力而发散。

2.4 充气波导高功率微波击穿模拟

    利用激光照射电极表面,可以触发出电子注,并形成电极间放电。下面是一个这种放电过程的模拟研究,两个指状电极贴紧在环氧树脂介质表面,电极之间加10KV电压。紫外激光照射在电极和介质接触的三相点附近,立刻引发起电子发射,随即发生电子倍增和闪络。图中显示了电子注的产生和运动,并由于静电斥力而发散。

2.5 高电压击穿3D模拟

    模拟几何为 4cm x 4cm x 8cm 的3D 空间,划分为120 x 120 x 300 个网格。图中蓝色区域为针头的剖面,针头为阴极,而阳极板直接安放在模拟区间的右侧边界上。这里针头被建模成简单的长方体,截面边长4mm,实际中也可以使用更加贴近实际的针尖形状。
    模拟空间内充满氮气,0.1 个大气压。

几何形状

电场分布


T=3.65 ns的2D电子分布图和3D散点图

T=4.65 ns的电子2D分布图和3D散点图

 

 

1.VSim软件简介
2.激光等离子体作用
3.微波源与微波器件研究
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