粒子动力学仿真
电磁场中的粒子仿真
真空电子器件和粒子加速器等
SIMULIA 仿真产品包含一系列求解器，有助于仿真器件，这些器件利用自由运动粒子和电磁场之间的相互作用工作。该部分产品系列依靠通过 CST Studio Suite 和 Opera 提供的成熟技术。
带电粒子动力学仿真对于分析和优化各种带电粒子器件至关重要。粒子生命周期的仿真过程从发射粒子、粒子所处的加速静电场和聚焦磁电场的影响开始。此外，这些产生外部场的器件通过高度精确的静态仿真精心设计。在极高能量下，还必须考虑相对论运动方程。
粒子仿真可将粒子产生的粒子场视为空间电荷，与外部电磁场叠加。自电磁场会引入一个反作用于粒子的瞬态分量。此时，我们需要一种完全自相一致的单元内粒子仿真。
为了达到更高的粒子能量，粒子束会暴露在射频场中。电子束现在可接近光速，也就是超相对论极限。将粒子束视为一股电流，该电流会产生电磁场，以及可反作用于其自身或后续粒子束的尾流场。各种粒子束光学器件会引导粒子束。
CST Studio Suite 和 Opera 包括多种工具，用于设计带电粒子器件。除了典型的静态及高频率求解器外，还有粒子跟踪求解器、静电 单元内粒子 (Es-PIC)、标准单元内粒子 (PIC) 求解器 和 Wakefield 求解器。这些可用于设计从粒子源到磁体、到腔体，再到吸收器的束线组件。
此外，粒子动力学仿真在设计真空电子器件时也至关重要。磁控管、回旋管、速调管和行波管放大器都是可通过 CST Studio Suite 设计的组件。可仿真多重作用和电晕等击穿效应，并且使用多物理场仿真，还可考虑高功率微波的热效应和机械效应。
粒子动力学应用
- 粒子加速器
- 粒子源和电子枪
- 真空电子器件
- 等离子体
- 微放电与电晕
- 磁控溅射
粒子加速器
加速器组件
腔体或粒子束位置监控器等加速器组件通常可使用 Eigenmode、Transient 或 Frequency Domain 求解器设计。但对于与粒子束的相互作用，Wakefield 求解器是一款非常通用的工具。您可以在这里阅读有关 CST Studio Suite 求解器的更多内容。
这里显示的是 TESLA 加速器的 9 单元腔体。目的是在沿加速器传播电子束的整个过程中保持该电子束加速。生成射频 (RF) 功率并将其耦合到 TESLA 腔中，以在腔体中建立这些 EM 场。通过腔体的电子必须保持与该电磁场相关的正确相位，才能保持加速。电子束本就是一股强电流，通过腔体时会诱导高频场并激发称之为尾流场的模式。这些尾流场可能会限制或中断加速流程。Wakefield 求解器不仅可计算这些流场，而且还有助于改进加速器组件的设计。
粒子束光学
粒子加速器使用磁体和电极来引导、精炼和控制粒子束。典型的粒子束光学组件包括用于聚焦粒子束的磁透镜和静电透镜、用于使粒子束弯折和为其导向的偏转器、重新为粒子束定向的冲击磁体，以及用于安全捕获粒子的准直器和收集器等。
SIMULIA 工具 Opera 和 CST Studio Suite 已成功用于为加速器设计所有类型的磁体：永磁体、DC 及 AC 偶极子、四极子、高阶磁体、波荡器和螺线管。粒子跟踪求解器可仿真粒子通过仿真场的运动，不管有没有空间电荷效应。
Opera 可仿真低温及高温超导体，其中包括超导磁体快速转为正常状态的超导失超事件。可以包括多种带电粒子，每种粒子都有用户定义的电荷和质量。
粒子源和电子枪仿真
电子枪
从 X 射线管到行波管放大器，电子枪是许多工业、医疗和研究应用中的粒子源。这些通常需要分散有限的精细电子束。然而，电子间的空间电荷排斥就代表：如果不仔细设计电极，电子束就容易发散。
CST Studio Suite 和 Opera 中的粒子跟踪求解器可为电子通过枪内电场的运动建模。空间电荷模型可仿真电子之间的排斥及其产生的电子束分散，因此工程师可准确仿真电子束行为并生成可靠的电子束。综合多物理场仿真除了研究电磁学以外，还可研究热和应力。
碳纳米管发射器
碳纳米管发射器通过量子力学场效应在室温（冷阴极）下产生电子，所需电能较少。因其尺寸原因，这些可在更便携的设备中使用。Opera 允许开发这些日益普及的电子源。
真空电子器件
行波管 (TWT)等真空电子器件因其可靠性和性能，主要用于卫星通信。例如，在 1-60 GHz 的频率范围内，放大信号可达到高达 500W 的输出功率，效率超过 50%（对于空间 TWT 而言）。
与其同类固态产品相比，它们会表现出更高的效率、可靠性及热性能以及略高的线性。但它们的构建成本更高。因此，在可靠性是必备条件时，就可使用 TWT，如高功率和卫星应用等。仿真在这些设计过程中极具诱惑力，因为它可减少对多个高成本原型的需求。
TWT 的设计可使用 PIC 求解器执行，以对慢波结构 (SWS) 表征，该结构对应于电子束与 RF 信号（通过螺旋结构维持）之间的相互作用区域。
RF 信号从输入耦合器引入。在电子沿 SWS 传播的过程中，会将电子的动能传递给行波。沿着电子管，电子束会变成束状，电子会将其动能丢给行波。随后使用在输出耦合器中提取的最大功率放大行波。
等离子体仿真
等离子体应用
等离子体应用通常具有很大的时间尺度，而且等离子体可通过其在电子和离子之间的空间电荷相互作用来说明。静电单元内粒子仿真 (ES-PIC) 技术可计算空间电荷与时间的关系，仅考虑静电效应。与纯 PIC 方法相比，没有诱导的电流和 H 场，但非常适合这些等离子体应用。此外，它还适用于等离子体应用，其中可通过空间电荷动力学和相对较低压力下的碰撞来描述这种现象，进而可忽略离子的温度梯度和对流效应，其需要另一种数值方法。
聚变等离子体的电源
聚变等离子体非常热。它们是在托卡马克装置中产生的，可提供一种新的产能来源。聚变能是一种目前正在研究的可持续能源，可解决世界面临的能源问题。未来的能量必须来自清洁、安全及受控的聚变。
在主要操作模式下，等离子体必须防止扩散。这是复杂磁线圈设计在托卡马克装置周围的作用。然后，等离子体必须足够热，才能维持热核反应。这是回旋管器件的作用，其可使用 PIC 求解器全面设计和仿真。
回旋管是高功率真空电子器件，能够生成数百千瓦的输出功率，工作频率高达数百吉赫兹。回旋管非常适合等离子体加热流程，因为产生的微波频率可激发其中一种等离子体频率。这些微波会将其能量传递给等离子体，进入加热流程。
微放电与电晕仿真
SIMULIA 提供基于 Spark3D 技术的特殊 RF 击穿分析，例如微放电和电晕效应。这些效应发生在高功率微波组件中，可能会损坏敏感器件。微放电是卫星通信的主要问题，其中一个组件故障可能会导致整个系统无法运行。
这里可执行两种类型的研究。在大气压力下工作时，电晕效应占主导地位，而对于嵌入在空间中的组件（也就是说非常接近真空），微放电效应则占主导地位。微放电由材料属性和所谓的二次发射系数（即电子碰撞导致另一个电子发射的概率）决定。当 RF 器件的功率足够强，使得电子加速，导致二次电子发射倍增，就会产生电子雪崩，进而就会出现微放电。
微放电和电晕效应是在 RF 组件的设计阶段和认证测试中必须考虑的强烈约束条件。
磁控溅射仿真
磁控溅射广泛用于各领域中的薄膜制造。应用包括玻璃上的装饰性和低辐射性镀膜，以及当前最苛刻应用使用的产品上的工程镀膜等。沉积膜属性的优化以及溅射靶的利用，对于保证最终产品的性能和流程的经济性至关重要。SIMULIA Opera 将精确的有限元分析与等离子体、溅射及膜沉积的详细模型相结合，可为磁控管的设计优化提供首批实用工具。
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有关带电粒子动力学仿真的常见问题答疑
穿过磁场的粒子会受洛伦兹力的影响。洛伦兹力与粒子的运动方向垂直。它不会改变粒子的速度或能量；但作为向心力，它会引入圆周运动。
带电粒子通常会在电子枪或离子枪等专用粒子源中产生。常见的枪使用热离子发射生成粒子束。它们由特殊材料制成，在充分加热时会发射电子，电子会加速向阳极移动。众所周知的示例是阴极射线管。
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