VSim软件

专业电磁粒子仿真软件

VSim软件基于等离子体Particle-In-Cell算法、电磁场FDTD算法、静电场Poisson算法，物理模型涵盖等离子体和射频微波领域，借助于强大的并行算法，可用于激光等离子相互作用、高功率微波器件、真空电子器件、脉冲功率、高压放电、加速器等模型的求解。

1. VSim软件模块

VSim软件(早期版本为VORPAL)是美国Tech-X公司开发的基于PIC算法的电磁粒子仿真软件，是等离子体、微波与真空电子器件、脉冲功率与高电压、加速器、放电等离子体等领域的尖端仿真工具。

1） VSimBase

对等离子体基础理论问题的分析。

2） VSimPA

超快超强激光与物质相互作用；高强度激光场下等离子体的运动及其反作用，如激光的聚焦、整形和衍射、高能粒子的形成、靶面物理等；强激光与等离子体物理方面的研究，例如激光等离子体加速器、惯性约束聚变等。

3） VSimMD

真空粒子束微波源及微波器件研究；粒子束在真空腔体中传播及与腔内电磁波相互作用的仿真，如各种真空微波源(磁控管、行波管、速调管、回旋管等)及其附属器件(电子枪、磁聚焦系统、收集器、耦合器等)的设计优化；真空器件的二次电子倍增过程仿真。

4） VSimPD

射频/直流条件下的腔体和电介质仿真；带电粒子与背景气体间和带电粒子之间的碰撞过程，包括弹性碰撞、激发、电离、复合；带电粒子与壁面的作用，如二次电子发射、溅射等。用于放电等离子源及材料处理研究；各种低气压的射频/直流等离子体源(如磁控溅射、CCP、空心阴极)及小尺寸大气压放电(如介质阻挡放电)研究；研究借助放电过程工作的设备，如等离子体推进器等。

5） VSimEM

非理想和各向异性电介质的支持；总场-散射场变换、远场计算；谐振腔模式分析等功能。电磁波在各种复杂介质中传播；在目标上的散射模拟，如光子晶体研究；谐振腔腔体设计；电磁波在目标上的吸收。

2. VSim软件功能特征

1） Particle-In-Cell模型

VSim使用PIC算法(Particle-in-Cell)来模拟等离子体的演化。等离子体粒子之间以及和外界的相互作用通过电磁Maxwell方程组或者静电Poisson方程求解，等离子体粒子的运动利用宏粒子的相对论运动方程跟踪。这一模型可以有效地处理各种动理学(kinetics)和束流效应。

2） 电磁场模型

VSim使用MultiField作为场模型的基本框架，在框架内可以选择任何合适的电磁场模型，标准模型为Yee网格的电磁场建模和基于Poisson方程的静电场建模。内置的Maxwell和Poisson求解器可以进行激光/微波/射频/直流设备的建模，支持各种复杂的介电、介磁和电导行为。

3） 复杂几何外形和网格处理

VSim允许用户自定义复杂几何模型或直接导入STL格式CAD文件，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；在电磁建模和粒子发射模型中都支持复杂曲面的设定，利用Dey-Mittra Cutting Cell技术支持复杂边界曲面上的电磁场模型，对曲面和复杂构型能够有效地提高电磁场计算的精度。金属和电介质结构都支持复杂外形的嵌入；在粒子发射模型中Cutting Cell技术可以提高发射粒子的速度和通量精度。可用于对3D全尺寸全物理的实际工程结构进行模拟。

4） 碰撞和蒙特卡洛模型

VSim通过蒙特卡洛模块引入对粒子间碰撞和原子-分子电离过程的建模支持。模块中包括传统的虚碰撞模型，也包括遍历所有模拟粒子抽样的无偏选择模型和空选择模型。碰撞模块支持电子-原子的弹性散射，激发，电离；离子和背景原子的碰撞；粒子之间的一对一碰撞、三体碰撞；电子-离子碰撞多次电离以及碰撞复合；原子的场致电离；不稳定粒子的衰变等等

5） 粒子源模型

VSim支持各种带电粒子发射模型，包括光电效应，热阴极发射，场致发射，壁面二次电子产生等等，可以对各种阴极和束流注入进行有效的建模。

6） 二次开发

VSim的MultiField框架中允许用户对电磁场模型进行修订和二次开发，用户可以自定义电磁场的差分格式和推进步骤；也可以处理各种色散模型；在需要多物理场建模的情况下，用户可以自定义其他场（如热场，流场等）并且和电磁场耦合处理。MultiField接口中提供各种求解器由用户任意组合，内置的线性方程组求解器还可以允许用户在底层重新构造求解器。

7） 高级技术

VSim引入了Lorentz Boosted Frame，色散控制（无色散）格式，电磁场滤波等用于专门问题的方法，对特定的物理问题提供更好的支持和仿真。

3. VSim软件应用范围和目标

1） 激光与等离子体相互作用

VSim 提供超快超强激光与等离子体之间相互作用的仿真能力，可以用于研究超快超强在等离子体中的传播、整形、聚焦和折射/反射；激光和固体靶的相互作用；超热电子形成；激光等离子体加速带电粒子等过程的物理机制和实验设计。这些功能可以用于惯性约束核聚变(ICF)、激光等离子体加速器(LPA)和相关其他方向的实验仿真和理论研究。

2） 微波源与微波器件研究

VSim 提供电子束和微波相互作用的仿真能力，能够处理微波在腔内的产生、传播、放大；电子束和微波之间的能量交换等过程。可以用于研究各种真空微波源和放大设备，如磁控管、回旋管、行波管、速调管、返波管等的理论研究和优化设计；也可以用于设计配套的电子枪/阴极、收集级、谐振腔等设备，或对微放电等设备内部过程进行机理研究。

3） 高电压击穿与脉冲功率设备

VSim提供了高电压强电场下电子束发射和传播的模拟能力，可以用于脉冲高压和脉冲功率设备的研究，如强流二极管、磁绝缘传输线、金属化塑料膜电容器等的设计；或用于高电压下真空/充气设备的火花、闪络、击穿等过程的理论研究。

4） 粒子加速器研究与设计

VSim提供对粒子束-腔体-电磁场模拟的能力，可以用于大尺寸的腔体设计和束流传输模拟，从而提供对加速器设计中的束流演化和电磁场行为的模拟，目前这些功能已经用于加速器的光阴极、注入电子枪、冷却器以及腔内尾场形成的仿真和设计。

5） 放电等离子体与材料处理

VSim提供对粒子之间碰撞和电离过程的蒙特卡洛模拟能力，以及对表面溅射过程的模拟能力。VSim能够用于各种等离子体源设备，如磁控溅射、容性耦合等离子体、介质阻挡放电、空心阴极设备等的研究和仿真。

6） 航天与空间等离子体研究

VSim的放电等离子体研究能力可以用于各种卫星用等离子体推进器的设计，如离子推进器、霍尔推进器等；也提供开放空间中等离子体和导体、电介质相互影响的仿真能力，从而可以用于电离层或远空间中带电粒子和航天器相互作用的研究，如分析卫星在空间中积累电荷导致失效等问题。

7） 复杂介质中的电磁波

VSim提供对各种具有复杂介电、介磁、色散和漏电特性的介质的仿真能力，这种能力可以用于像光子晶体或左手介质材料的设计和理论分析；也可以用于各种电磁波在复杂介质中的传播和吸收，例如生物体的电磁性质等。

8） 二次开发与其他多物理场建模

VSim提供了自定义微分方程和差分算法的能力，从而可以作为一种强有力的多物理场时域建模工具，这种功能已经被应用于托卡马克中的等离子体行为、微波腔的热-电耦合等问题中。

4. VSim应用实例

4.1 微波源与真空电子器件

VSim软件提供电子束和微波相互作用的仿真能力，能够处理微波在腔内的产生、传播、放大；电子束和微波之间的能量交换等过程。可以用于研究各种真空微波源和放大设备，如磁控管、回旋管、行波管、速调管、返波管等的理论研究和优化设计；也可以用于设计配套的电子枪/阴极、收集级、谐振腔等设备，或对微放电等设备内部过程进行机理研究。VSim提供了UserFunc技术来处理各种电路反馈效应，搭配MultiField可以和电路模型联合处理复杂的多级多单元功率设备。

1） 磁控管

VSim被用来研究磁控管中电子的行为和电磁波模式。

2） 充气波导高功率微波击穿过程

当高功率微波进入含气体的波导管，电离并导致波导管击穿，VSim可以跟踪这个快速击穿的全过程。

3） Smith-Purcell FEL

Smith-Purcell自由电子激光也被视为一种可能的微波源设备，这里用VSim研究了THz SPFEL的可行性。(APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 151502 (2010)

4) 30GHz微波电离大气产生等离子体过程

将Maxwell方程组和电子密度连续性方程耦合数值求解，对30GHz微波电离大气产生等离子体的过程进行模拟，在大气压下形成丝状等离子体分布。

H平面电子数密度分布                      H平面无量纲电场强度

 4.2 脉冲功率与高电压

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。

1) 沿面闪络

真空沿面闪络是制约脉冲功率系统性能的最主要的因素，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。(17th IEEE International Pulsed Power Conference, Washington D.C., 2009)

2) 火花放电的启动与分叉仿真

模拟了小尺寸火花放电的起始到通道形成的过程。结果表明，在小尺寸强电场的情况下，无论初始电场的微小不均匀性，或者碰撞过程的扰动，都会导致火花分叉行为。最终，阴极火花会形成树状结构。

氩气阴极火花放电分叉现象仿真(右侧双阳极为固定电位)

空气阴极火花放电分叉现象仿真(下部双阳极为悬浮电位)

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。

 4.3 加速器

VSim已经用于各种高能加速器和强流加速器中的阴极，加速腔、注入器、电子冷却等单元的设计，用于研究高能粒子束的运动及其空间电荷效应的影响、背景等离子体对粒子束的影响，腔内尾场的形成等。从而对设计加速腔、冷却器等部件提供帮助。

1) Low Energy Beam Transport (LEBT) 

SNS LEBT 3D模型采用VSim仿真，图中蓝色表示电子，红色表示H2+，绿色表示H-。(IPAC13，Oak Ridge National Laboratory)

4.4 激光等离子体相互作用

VSim 提供超快超强激光与等离子体之间相互作用的仿真能力，可以用于研究超快超强在等离子体中的传播、整形、聚焦和折射/反射；激光和固体靶的相互作用；超热电子形成；激光等离子体加速带电粒子等过程的物理机制和实验设计。这些功能可以用于惯性约束核聚变(ICF)、激光等离子体加速器(LPA)和相关其他方向的实验仿真和理论研究。VSim对激光尾场加速的仿真结果作为2004年9月Nature杂志封面。

1) 激光等离子体加速器加速电子

VSim 在原有的基础上进一步发展了对激光等离子体相互作用模拟的能力，引入了色散控制和Lorentz Boosted Frame、碰撞光束等技巧。下面是一些典型的结果，如电磁场分布、等离子体密度、电子相空间分布等。

4.5 放电等离子体与材料处理

VSim可以用于材料表面处理工艺中等离子体放电设备，如低气压下的磁控溅射、空心阴极放电、CCP、大气压下的介质阻挡放电等设备的机理分析、设备设计和参数优化等。也可以用于类似的离子源设备仿真和设计。

1) 介质阻挡放电(DBD)

利用VSim的粒子雪崩控制和电荷追踪能力，可以跟踪小尺寸大气压介质阻挡放电的全过程。(40th Fluid Dynamics Conference and Exhibit, 2010, Chicago, Illinois. AIAA 2010-5101)

设备结构                  等离子体密度

电势分布             电子分布图 

传统结构DBD：电极-气体-介质-电极构型，极板间加上3KV脉冲电压。

结构示意图                          电荷密度(7ns)

4.6 航天电推进与空间等离子体

卫星用的霍尔发动机和离子发动机工作在极低的气压下，霍尔发动机中存在重要的随机加热和粒子轨道效应，而离子发动机的工作则基本上受粒子轨道效应的主导。这种设备的模拟是PIC模拟方法适合应用的领域。VSim能够对这类设备的放电和推进特性进行较好的预测。

VSim软件在电推进领域的应用包括：Hall推进器和Ion推进器的电磁场与粒子场分析；电离与推进计算；壁面侵蚀与寿命估计计算；羽流计算；电荷沉积效应计算。VSim能够用于星载等离子体发动机的设计和优化，可以仿真卫星在电离层和太阳风中运动时受到粒子轰击导致的各种电荷累积行为。

1） 霍尔电推进器仿真

利用VSim对标准的SPT100霍尔推进器进行了仿真，在实验误差范围内，推进力的模拟结果和实验结果相同；VSim还可以研究通道内的侵蚀过程。

SPT100外形和仿真模型

离子分布                 电子分布

通道侵蚀的模拟结果，红色方块是实验结果

2） 离子发动机仿真

Ion Thruster是另一种常用的等离子体推进器，下面是VSim对NASA NEXT ion thruster离子发动机的仿真案例。

模拟结构                    电势分布

电子密度剖面图           放电腔室电势

3） 航天器充电仿真

航天器在太空飞行时，由于太阳风和电离层的影响，会在表面积累起电荷，并可能引起高压和击穿。VSim的电荷累积模型可以对这种情况进行分析。图中是带电粒子吹向卫星表面，在表面和太阳能电池上累积，形成局部电势。

模拟概念图                 电荷密度的空间分布         卫星表面累积电荷         电势和粒子分布的剖视

4） 等离子体分析仪仿真

航天器以7.6km/m的速度运动，空间等离子体从左端进入等离子体分析仪腔室，腔内有多层六边形栅网结构，栅网上加电压，用于吸收记录透过栅网的等离子体。氧离子分布：

4.7 复杂介质中的电磁特性

VSim可以用于研究复杂电介质中电磁波的传播过程，这种功能最早用于光子晶体研究，随着功能的扩展，可以用于左手介质等新材料研究以及生物体中电磁波的传播。

1） 光子晶体模拟

VSim的FDTD模块可以用于研究电磁波在光子晶体结构中的传播，分析其带隙结构。下面的图片给出了一些示意性的例子，演示电磁波在复杂多孔结构中的传播及电场分布。

                 多孔介质中的电磁波通道               杆-孔结构             杆孔结构的电磁波传播

2） 等离子体中的电磁波传播

VSim具有研究强色散和损耗介质中电磁波传播的能力，并可以研究嵌入在这种介质中的物体的电磁波特性。这种功能适合研究等离子体包覆下的目标物体的雷达特性，用于等离子体隐身研究。此外，这种能力还可以研究土壤，海水等介质中的电磁问题。下面是包裹金属球的密度渐变等离子体对电磁波(1GHz)反射衍射和吸收模拟的例子。

                  等离子体球的密度分布              电磁波的衍射和折射             等离子体感应电流