INP 专业粒子源与束流传输仿真软件

INP软件技术起源于德国重离子研究中心(GSI)。

INP是一组仿真程序的集合,用于研究粒子源的输出 (KOBRA3-INP, AXCEL-INP),温度计算(DOT-INP)以及磁场计算(MAGNET-INP)。

AXCEL-INP

用于粒子源和束流传输的2维仿真程序。目前支持ECR离子源、激光离子源和电子枪。

DOT-INP

2维温度场计算程序,支持静态和瞬态求解。

MAGNET-INP

2维磁场计算程序,通过直接积分求得磁场结果,输出结果可以导入KOBRA3-INP和AXCEL-INP。

KOBRA3-INP

用于粒子源和束流传输的3维仿真程序,包含等离子体和二次电子模型。

MAG2KOB3-INP

用于支持KOBRA3-INP的接口程序,MAG2KOB3-INP生成KOBRA3-INP所需的磁场数据表。

DXF2KOB3-INP

用于支持KOBRA3-INP的接口程序, DXF2KOB3-INP 程序读取AutoCAD的dxf文件并生成KOBRA3-INP输入文件。



1. INP软件简介

INP的基本思想是进行粒子束传输的模拟,例如粒子束从激光、ECR、电子枪等设备中漂移出来,再在外加电压作用下运动直到穿过模拟区域或者被目标设备捕获。它适用于各种离子源引出设备的仿真,或者反过来针对于目标物体(探针,金属飞行物)捕获粒子流或等离子体的仿真,取得其发射/传输/吸收特性及空间电磁场分布。



图1. 离子源束流引出仿真的示意图,多个电极用于实现聚焦和初步加速



图2. 激光离子源仿真示意,为了控制能谱,激光离子源的引出必须先被加速再减速,所以设置了三个电极。



图3.ECR离子源输出仿真,包含磁场和Pierce构型用于提高引出效果


2. INP软件模块与功能

2.1 AXCEL-INP

用于粒子源和束流传输的2维仿真程序。支持ECR离子源、激光离子源和电子枪。

2.2 DOT-INP

温度场计算程序,支持静态温度场和瞬态温度场的求解。

2.3 MAGNET-INP

磁场计算程序,通过直接积分求得磁场结果,磁场可以由线圈产生,或者由永久磁铁产生。输出结果可以导入KOBRA3-INP和AXCEL-INP。

2.4 MAG2KOB3-INP

用于支持KOBRA3-INP的接口程序,MAG2KOB3-INP生成KOBRA3-INP所需的磁场数据表。



图4. 使用2D-3D转换得到的螺线管附近的磁场分布

2.5 DXF2KOB3-INP

用于支持KOBRA3-INP的接口程序, DXF2KOB3-INP 程序读取AutoCAD的dxf文件并生成KOBRA3-INP输入文件。

2.6 KOBRA3-INP

KOBRA3是一个用于粒子源和束流传输的3维仿真程序,包含等离子体的产生与传输、等离子体碰撞合并、等离子体二次电子产生与复合、粒子对壁面的作用(吸收、二次电子、电荷沉积等)。

KOBRA3用于研究带电粒子在外加电磁场及自生电场下的分布和传输。它是一个静电模型的三维等离子体动理学模拟程序。

模拟算法有两种,一种是稳态模拟,一种是PIC模拟。稳态模拟的算法如下:

1)用有限差分方法求解电场Poisson方程

获得模拟区域中的电场,添加外加磁场后获得模拟区域的总电磁场

2)设定一组带电粒子的起点,求解带电粒子在电磁场下的运动方程

得出一组带电粒子的轨迹。

3)根据带电粒子轨迹的空间平均,得出电荷密度分布

4)回到第一步,根据获得的电荷密度分布重新求解电磁场

反复执行上述迭代,直到轨迹和电场都不再改变,就得出稳态等离子体(或者粒子束)分布。

PIC算法和前述稳态算法类似,但带电粒子的运动被设置为单步模拟,即带电粒子只运行极短的一个时间(时间步)就重新求解电磁场然后循环,模拟执行到设定的物理时间而非稳态。

带电粒子可以从电极表面释放或者从等离子体源区域释放。当从电极表面释放时(如表面电离或者电子枪),发射电流按照空间电荷限制的Child-Langmuir定律计算,因此可以支持阴极模型。

针对稳态离子源设备,INP使用一个Boltzmann类型的空间电荷补偿算法,即认为离子漂移出稳态等离子体区域时,携带着反号的电荷云。其实现方法为:对于正离子的流出,INP在电荷计算中添加电子密度:

对于负离子,添加正离子密度

是未受干扰的等离子体密度。

在KOBRA3中,大部分粒子传输和等离子体相互作用问题使用稳态模拟执行。通过稳态模拟,可以得出带电粒子的电荷、电流密度,束流发散度,稳态电磁场形状,压强的空间分布等等信息,为设备设计进行参考。


图5. 等势线分布


图6. 空间电荷对等势线的影响


3. INP软件应用案例

3.1 离子束源传输的全结构仿真

下面是一个离子源从源的输出开始的完整仿真,KOBRA这里被用来进行除了源之外的全部传输过程仿真。


图7. 设备的整体结构图



图8. ECR源引出区的中性气体压强分布



图9. 烧蚀区的压力分布



图10. 聚焦螺线管附近的磁场



图11. 离子引出后的传播和空间电场



图12. 聚焦螺线管区域的离子分布和发散度


3.2 GSI质子加速器LEBT(low energy beam transport line)系统模拟

下面是GSI设计的50MeV质子直线加速器的LEBT系统的一个模拟。模拟中包含三种设计:一个带聚焦的七电极约束系统;一个五电极(真空五级管结构)加速器;一个三极管加直流加速单元。所有结构都将质子束加速到100KeV,以便注入加速器腔体。模拟使用AXCEL-INP的2维仿真实现。


图13. 七电极约束的电势分布和粒子轨迹图



图14. 引出后的离子发散度图示



图15. 真空五级管结构的束流图示



图16. 真空五级管结构的发散度图示



图17. 真空三极管结构的束流演化,末端电压为35KV



图18. 和三极管配套的直流加速系统,提供另外的65KV加速电压



图19. 导出后的发散度分布