VSim軟件

專業(yè)電磁粒子仿真軟件

VSim軟件基于等離子體Particle-In-Cell算法、電磁場FDTD算法、靜電場Poisson算法，物理模型涵蓋等離子體和射頻微波領域，借助于強大的并行算法，可用于激光等離子相互作用、高功率微波器件、真空電子器件、脈沖功率、高壓放電、加速器等模型的求解。

1. VSim軟件模塊

VSim軟件(早期版本為VORPAL)是美國Tech-X公司開發(fā)的基于PIC算法的電磁粒子仿真軟件，是等離子體、微波與真空電子器件、脈沖功率與高電壓、加速器、放電等離子體等領域的尖端仿真工具。

1） VSimBase

對等離子體基礎理論問題的分析。

2） VSimPA

超快超強激光與物質相互作用；高強度激光場下等離子體的運動及其反作用，如激光的聚焦、整形和衍射、高能粒子的形成、靶面物理等；強激光與等離子體物理方面的研究，例如激光等離子體加速器、慣性約束聚變等。

3） VSimMD

真空粒子束微波源及微波器件研究；粒子束在真空腔體中傳播及與腔內電磁波相互作用的仿真，如各種真空微波源(磁控管、行波管、速調管、回旋管等)及其附屬器件(電子槍、磁聚焦系統(tǒng)、收集器、耦合器等)的設計優(yōu)化；真空器件的二次電子倍增過程仿真。

4） VSimPD

射頻/直流條件下的腔體和電介質仿真；帶電粒子與背景氣體間和帶電粒子之間的碰撞過程，包括彈性碰撞、激發(fā)、電離、復合；帶電粒子與壁面的作用，如二次電子發(fā)射、濺射等。用于放電等離子源及材料處理研究；各種低氣壓的射頻/直流等離子體源(如磁控濺射、CCP、空心陰極)及小尺寸大氣壓放電(如介質阻擋放電)研究；研究借助放電過程工作的設備，如等離子體推進器等。

5） VSimEM

非理想和各向異性電介質的支持；總場-散射場變換、遠場計算；諧振腔模式分析等功能。電磁波在各種復雜介質中傳播；在目標上的散射模擬，如光子晶體研究；諧振腔腔體設計；電磁波在目標上的吸收。

2. VSim軟件功能特征

1） Particle-In-Cell模型

VSim使用PIC算法(Particle-in-Cell)來模擬等離子體的演化。等離子體粒子之間以及和外界的相互作用通過電磁Maxwell方程組或者靜電Poisson方程求解，等離子體粒子的運動利用宏粒子的相對論運動方程跟蹤。這一模型可以有效地處理各種動理學(kinetics)和束流效應。

2） 電磁場模型

VSim使用MultiField作為場模型的基本框架，在框架內可以選擇任何合適的電磁場模型，標準模型為Yee網(wǎng)格的電磁場建模和基于Poisson方程的靜電場建模。內置的Maxwell和Poisson求解器可以進行激光/微波/射頻/直流設備的建模，支持各種復雜的介電、介磁和電導行為。

3） 復雜幾何外形和網(wǎng)格處理

VSim允許用戶自定義復雜幾何模型或直接導入STL格式CAD文件，對器件的曲邊部分使用梯形或者三角形近似來獲得較為準確的逼近；在電磁建模和粒子發(fā)射模型中都支持復雜曲面的設定，利用Dey-Mittra Cutting Cell技術支持復雜邊界曲面上的電磁場模型，對曲面和復雜構型能夠有效地提高電磁場計算的精度。金屬和電介質結構都支持復雜外形的嵌入；在粒子發(fā)射模型中Cutting Cell技術可以提高發(fā)射粒子的速度和通量精度�？捎糜趯�3D全尺寸全物理的實際工程結構進行模擬。

4） 碰撞和蒙特卡洛模型

VSim通過蒙特卡洛模塊引入對粒子間碰撞和原子-分子電離過程的建模支持。模塊中包括傳統(tǒng)的虛碰撞模型，也包括遍歷所有模擬粒子抽樣的無偏選擇模型和空選擇模型。碰撞模塊支持電子-原子的彈性散射，激發(fā)，電離；離子和背景原子的碰撞；粒子之間的一對一碰撞、三體碰撞；電子-離子碰撞多次電離以及碰撞復合；原子的場致電離；不穩(wěn)定粒子的衰變等等

5） 粒子源模型

VSim支持各種帶電粒子發(fā)射模型，包括光電效應，熱陰極發(fā)射，場致發(fā)射，壁面二次電子產(chǎn)生等等，可以對各種陰極和束流注入進行有效的建模。

6） 二次開發(fā)

VSim的MultiField框架中允許用戶對電磁場模型進行修訂和二次開發(fā)，用戶可以自定義電磁場的差分格式和推進步驟；也可以處理各種色散模型；在需要多物理場建模的情況下，用戶可以自定義其他場（如熱場，流場等）并且和電磁場耦合處理。MultiField接口中提供各種求解器由用戶任意組合，內置的線性方程組求解器還可以允許用戶在底層重新構造求解器。

7） 高級技術

VSim引入了Lorentz Boosted Frame，色散控制（無色散）格式，電磁場濾波等用于專門問題的方法，對特定的物理問題提供更好的支持和仿真。

3. VSim軟件應用范圍和目標

1） 激光與等離子體相互作用

VSim 提供超快超強激光與等離子體之間相互作用的仿真能力，可以用于研究超快超強在等離子體中的傳播、整形、聚焦和折射/反射；激光和固體靶的相互作用；超熱電子形成；激光等離子體加速帶電粒子等過程的物理機制和實驗設計。這些功能可以用于慣性約束核聚變(ICF)、激光等離子體加速器(LPA)和相關其他方向的實驗仿真和理論研究。

2） 微波源與微波器件研究

VSim 提供電子束和微波相互作用的仿真能力，能夠處理微波在腔內的產(chǎn)生、傳播、放大；電子束和微波之間的能量交換等過程�？梢杂糜谘芯扛鞣N真空微波源和放大設備，如磁控管、回旋管、行波管、速調管、返波管等的理論研究和優(yōu)化設計；也可以用于設計配套的電子槍/陰極、收集級、諧振腔等設備，或對微放電等設備內部過程進行機理研究。

3） 高電壓擊穿與脈沖功率設備

VSim提供了高電壓強電場下電子束發(fā)射和傳播的模擬能力，可以用于脈沖高壓和脈沖功率設備的研究，如強流二極管、磁絕緣傳輸線、金屬化塑料膜電容器等的設計；或用于高電壓下真空/充氣設備的火花、閃絡、擊穿等過程的理論研究。

4） 粒子加速器研究與設計

VSim提供對粒子束-腔體-電磁場模擬的能力，可以用于大尺寸的腔體設計和束流傳輸模擬，從而提供對加速器設計中的束流演化和電磁場行為的模擬，目前這些功能已經(jīng)用于加速器的光陰極、注入電子槍、冷卻器以及腔內尾場形成的仿真和設計。

5） 放電等離子體與材料處理

VSim提供對粒子之間碰撞和電離過程的蒙特卡洛模擬能力，以及對表面濺射過程的模擬能力。VSim能夠用于各種等離子體源設備，如磁控濺射、容性耦合等離子體、介質阻擋放電、空心陰極設備等的研究和仿真。

6） 航天與空間等離子體研究

VSim的放電等離子體研究能力可以用于各種衛(wèi)星用等離子體推進器的設計，如離子推進器、霍爾推進器等；也提供開放空間中等離子體和導體、電介質相互影響的仿真能力，從而可以用于電離層或遠空間中帶電粒子和航天器相互作用的研究，如分析衛(wèi)星在空間中積累電荷導致失效等問題。

7） 復雜介質中的電磁波

VSim提供對各種具有復雜介電、介磁、色散和漏電特性的介質的仿真能力，這種能力可以用于像光子晶體或左手介質材料的設計和理論分析；也可以用于各種電磁波在復雜介質中的傳播和吸收，例如生物體的電磁性質等。

8） 二次開發(fā)與其他多物理場建模

VSim提供了自定義微分方程和差分算法的能力，從而可以作為一種強有力的多物理場時域建模工具，這種功能已經(jīng)被應用于托卡馬克中的等離子體行為、微波腔的熱-電耦合等問題中。

4. VSim應用實例

4.1 微波源與真空電子器件

VSim軟件提供電子束和微波相互作用的仿真能力，能夠處理微波在腔內的產(chǎn)生、傳播、放大；電子束和微波之間的能量交換等過程�？梢杂糜谘芯扛鞣N真空微波源和放大設備，如磁控管、回旋管、行波管、速調管、返波管等的理論研究和優(yōu)化設計；也可以用于設計配套的電子槍/陰極、收集級、諧振腔等設備，或對微放電等設備內部過程進行機理研究。VSim提供了UserFunc技術來處理各種電路反饋效應，搭配MultiField可以和電路模型聯(lián)合處理復雜的多級多單元功率設備。

1） 磁控管

VSim被用來研究磁控管中電子的行為和電磁波模式。

2） 充氣波導高功率微波擊穿過程

當高功率微波進入含氣體的波導管，電離并導致波導管擊穿，VSim可以跟蹤這個快速擊穿的全過程。

3） Smith-Purcell FEL

Smith-Purcell自由電子激光也被視為一種可能的微波源設備，這里用VSim研究了THz SPFEL的可行性。(APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 151502 (2010)

4) 30GHz微波電離大氣產(chǎn)生等離子體過程

將Maxwell方程組和電子密度連續(xù)性方程耦合數(shù)值求解，對30GHz微波電離大氣產(chǎn)生等離子體的過程進行模擬，在大氣壓下形成絲狀等離子體分布。

H平面電子數(shù)密度分布                      H平面無量綱電場強度

 4.2 脈沖功率與高電壓

VSim 能廣泛用于各種高功率微波發(fā)生器(虛陰極振蕩器，磁絕緣傳輸線振蕩器等)、微波模式轉換器、高功率微波波導及其擊穿，真空或氣體中的介質窗的沿面閃絡過程等模擬。VSim 軟件引入各種種子電子產(chǎn)生機制、粒子合并機制及更多的氣體和電離模型，描述雪崩過程中的各種物理機制等。

1) 沿面閃絡

真空沿面閃絡是制約脈沖功率系統(tǒng)性能的最主要的因素，LLNL利用VSim對真空沿面閃絡過程的模擬顯著推進了我們對這一復雜過程的認識。(17th IEEE International Pulsed Power Conference, Washington D.C., 2009)

2) 火花放電的啟動與分叉仿真

模擬了小尺寸火花放電的起始到通道形成的過程。結果表明，在小尺寸強電場的情況下，無論初始電場的微小不均勻性，或者碰撞過程的擾動，都會導致火花分叉行為。最終，陰極火花會形成樹狀結構。

氬氣陰極火花放電分叉現(xiàn)象仿真(右側雙陽極為固定電位)

空氣陰極火花放電分叉現(xiàn)象仿真(下部雙陽極為懸浮電位)

3) 激光觸發(fā)指狀電極沿面放電模擬

利用激光照射電極表面，可以觸發(fā)出電子注，并形成電極間放電。下面是一個這種放電過程的模擬研究，兩個指狀電極貼緊在環(huán)氧樹脂介質表面，電極之間加10KV電壓。紫外激光照射在電極和介質接觸的三相點附近，立刻引發(fā)起電子發(fā)射，隨即發(fā)生電子倍增和閃絡。圖中顯示了電子注的產(chǎn)生和運動，并由于靜電斥力而發(fā)散。

 4.3 加速器

VSim已經(jīng)用于各種高能加速器和強流加速器中的陰極，加速腔、注入器、電子冷卻等單元的設計，用于研究高能粒子束的運動及其空間電荷效應的影響、背景等離子體對粒子束的影響，腔內尾場的形成等。從而對設計加速腔、冷卻器等部件提供幫助。

1) Low Energy Beam Transport (LEBT) 

SNS LEBT 3D模型采用VSim仿真，圖中藍色表示電子，紅色表示H2+，綠色表示H-。(IPAC13，Oak Ridge National Laboratory)

4.4 激光等離子體相互作用

VSim 提供超快超強激光與等離子體之間相互作用的仿真能力，可以用于研究超快超強在等離子體中的傳播、整形、聚焦和折射/反射；激光和固體靶的相互作用；超熱電子形成；激光等離子體加速帶電粒子等過程的物理機制和實驗設計。這些功能可以用于慣性約束核聚變(ICF)、激光等離子體加速器(LPA)和相關其他方向的實驗仿真和理論研究。VSim對激光尾場加速的仿真結果作為2004年9月Nature雜志封面。

1) 激光等離子體加速器加速電子

VSim 在原有的基礎上進一步發(fā)展了對激光等離子體相互作用模擬的能力，引入了色散控制和Lorentz Boosted Frame、碰撞光束等技巧。下面是一些典型的結果，如電磁場分布、等離子體密度、電子相空間分布等。

4.5 放電等離子體與材料處理

VSim可以用于材料表面處理工藝中等離子體放電設備，如低氣壓下的磁控濺射、空心陰極放電、CCP、大氣壓下的介質阻擋放電等設備的機理分析、設備設計和參數(shù)優(yōu)化等。也可以用于類似的離子源設備仿真和設計。

1) 介質阻擋放電(DBD)

利用VSim的粒子雪崩控制和電荷追蹤能力，可以跟蹤小尺寸大氣壓介質阻擋放電的全過程。(40th Fluid Dynamics Conference and Exhibit, 2010, Chicago, Illinois. AIAA 2010-5101)

設備結構                  等離子體密度

電勢分布             電子分布圖 

傳統(tǒng)結構DBD：電極-氣體-介質-電極構型，極板間加上3KV脈沖電壓。

結構示意圖                          電荷密度(7ns)

4.6 航天電推進與空間等離子體

衛(wèi)星用的霍爾發(fā)動機和離子發(fā)動機工作在極低的氣壓下，霍爾發(fā)動機中存在重要的隨機加熱和粒子軌道效應，而離子發(fā)動機的工作則基本上受粒子軌道效應的主導。這種設備的模擬是PIC模擬方法適合應用的領域。VSim能夠對這類設備的放電和推進特性進行較好的預測。

VSim軟件在電推進領域的應用包括：Hall推進器和Ion推進器的電磁場與粒子場分析；電離與推進計算；壁面侵蝕與壽命估計計算；羽流計算；電荷沉積效應計算。VSim能夠用于星載等離子體發(fā)動機的設計和優(yōu)化，可以仿真衛(wèi)星在電離層和太陽風中運動時受到粒子轟擊導致的各種電荷累積行為。

1） 霍爾電推進器仿真

利用VSim對標準的SPT100霍爾推進器進行了仿真，在實驗誤差范圍內，推進力的模擬結果和實驗結果相同；VSim還可以研究通道內的侵蝕過程。

SPT100外形和仿真模型

離子分布                 電子分布

通道侵蝕的模擬結果，紅色方塊是實驗結果

2） 離子發(fā)動機仿真

Ion Thruster是另一種常用的等離子體推進器，下面是VSim對NASA NEXT ion thruster離子發(fā)動機的仿真案例。

模擬結構                    電勢分布

電子密度剖面圖           放電腔室電勢

3） 航天器充電仿真

航天器在太空飛行時，由于太陽風和電離層的影響，會在表面積累起電荷，并可能引起高壓和擊穿。VSim的電荷累積模型可以對這種情況進行分析。圖中是帶電粒子吹向衛(wèi)星表面，在表面和太陽能電池上累積，形成局部電勢。

模擬概念圖                 電荷密度的空間分布         衛(wèi)星表面累積電荷         電勢和粒子分布的剖視

4） 等離子體分析儀仿真

航天器以7.6km/m的速度運動，空間等離子體從左端進入等離子體分析儀腔室，腔內有多層六邊形柵網(wǎng)結構，柵網(wǎng)上加電壓，用于吸收記錄透過柵網(wǎng)的等離子體。氧離子分布：

4.7 復雜介質中的電磁特性

VSim可以用于研究復雜電介質中電磁波的傳播過程，這種功能最早用于光子晶體研究，隨著功能的擴展，可以用于左手介質等新材料研究以及生物體中電磁波的傳播。

1） 光子晶體模擬

VSim的FDTD模塊可以用于研究電磁波在光子晶體結構中的傳播，分析其帶隙結構。下面的圖片給出了一些示意性的例子，演示電磁波在復雜多孔結構中的傳播及電場分布。

                 多孔介質中的電磁波通道               桿-孔結構             桿孔結構的電磁波傳播

2） 等離子體中的電磁波傳播

VSim具有研究強色散和損耗介質中電磁波傳播的能力，并可以研究嵌入在這種介質中的物體的電磁波特性。這種功能適合研究等離子體包覆下的目標物體的雷達特性，用于等離子體隱身研究。此外，這種能力還可以研究土壤，海水等介質中的電磁問題。下面是包裹金屬球的密度漸變等離子體對電磁波(1GHz)反射衍射和吸收模擬的例子。

                  等離子體球的密度分布              電磁波的衍射和折射             等離子體感應電流