EasyPIC软件
专业等离子体粒子仿真软件
EasyPIC
自主研发的等离子体仿真软件EasyPIC,该软件采用静电模型PIC(Particle-In-Cell)算法和蒙特卡洛算法,具备前后处理图形化界面、三维非均匀网格划分、大规模并行计算、悬浮电位、二次电子发射、光电效应、粒子源发射、蒙特卡洛碰撞等功能。
支持用户定制开发。
1 前处理
前处理建模首先设定模拟区域,为长方体区域,然后利用软件内置基本实体元生成工具(包括六面体、球体、圆柱、圆锥、凸台、圆筒等)构建模型。对于形状复杂难以用简单几何组合描述的结构,则使用STL方式导入CAD软件建立的模型。
每个几何体都可以设置其材料类型和材料参数如电阻率、介电常数、二次电子系数等,可以从数据库读取。另外,可以设置每个面的发射源属性,用于从面上发射粒子源。
几何建模完毕后,进行网格剖分,将整个模拟空间剖分为结构化的长方体网格,用户可以进行局部加密,以便对关键部位进行精细化分析。为了方便诊断,用户可以在模拟网格中添加监控点,以便于记录历史数据。
2 计算引擎
计算引擎主体是一个三维并行静电PIC模拟程序,通过宏粒子的运动方程来跟踪电子和离子,而空间电场通过求解Poisson方程获得,暂不考虑电磁波和外磁场的影响。引擎代码用C++开发,使用MPI进行并行化。并行框架使用区域分解模型:整个计算区域简单分割成M*N*L个子区域,每个并行进程负责其中一个子区域的场量(电荷密度,电场强度等等)及处于当前区域中的粒子。当一个粒子运动越出当前区域的时候,就被交换到另外一个进程的数据中。所有的计算过程,如场求解,粒子运动都由各个进程针对自己的子区域独立完成。
3 三维低气压辉光放电
辉光放电是气体放电现象的一种重要形式,也是一种常用的放电类型,软件的校准通过三维低气压直流辉光放电进行。
模拟区域为0.8mm×0.8mm×4mm,网格划分为10×10×500,x、y方向设为周期边界条件,z方向一端接地,另一端接200V的直流电压,阴极离子二次电子系数为0.15。初始在每个网格加载一个电子宏粒子和离子宏粒子,初始等离子密度为1.0e12m-3,背景气压为100Pa氩气。大约0.6us,电子和离子宏粒子数进入稳定状态。
(a)电子宏粒子数随时间的变化 (b)离子宏粒子数随时间的变化
图1 宏粒子数随时间的变化
图2 电势平均值 图3 电子密度平均值分布
4 总结
自主研发的专业等离子体粒子仿真软件EasyPIC可以模拟电子与中性气体的弹性碰撞、碰撞激发、碰撞电离,及离子与中性气体的弹性碰撞、电荷交换等。
支持用户定制开发和新功能扩展。