VSim 專業電磁粒子仿真軟件


-- 高電壓放電與脈沖功率設備應用

    VSim可以用于研究電脈沖的傳播及在強電場作用下的擊穿和放電過程。這可以用于對各種脈沖功率器件的設計和優化,及高功率、高電壓下設備擊穿過程的分析,絕緣和開關設備的設計。


1. VSim技術特點和應用優勢

    專業等離子體模擬軟件VSim同時支持對系統的電磁(FDTD)和靜電模型建模,并允許引入電壓-電流反饋來穩定輸入電壓;支持各種復雜的幾何外形的建模,并可以導入CAD軟件產生的STL文件建立幾何外形;支持各種電子發射設置及各種復雜的的發射曲面。
    通過VSim的粒子模擬,設計者可以分析各類設備的帶電的運動軌跡,發射能譜和空間分布以及電位、電流分布等等,從而對優化各種設計參數、研究失效和擊穿提供有力幫助。
    VSim 能廣泛用于各種高功率微波發生器(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。
    VSim 具有的獨特能力,能夠模擬復雜的的幾何結構和多物理過程,能夠耦合蒙特卡洛過程模擬原子分子過程,能夠耦合直接蒙特卡洛過程模擬中性氣體,因此可以用于多種直流和射頻電子源和離子源的模擬。

    VSim軟件在高電壓和脈沖功率設計應用中的主要優勢為:
    1) 在電磁場建模方面,VSim除了允許全電磁建模之外,還允許對射頻/低頻問題使用靜電模型進行電磁場建模,使得模擬可以在有意義的時間內完成。
    2) 除了標準的電磁場和靜電模型外,VSim允許用戶通過MultiField進行自定義的其他場如流場等進行建模,從而實現多物理場模擬。
    3) 在放電研究和模擬方面,VSim支持對電子-離子-原子碰撞過程的建模,包括碰撞電離,激發,彈性散射和衰變等等。也允許用戶定義中性氣體背景,并跟蹤中性粒子的運動。此外也可以對二次電子生成,場致電離和光電子生成等現象進行建模。
    4) 在實際器件模擬中,經常碰到不規則形狀的設備。VSim支持從CAD軟件導入復雜幾何外形,并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。
    5) VSim設計時就作為并行軟件進行開發,并且吸收了10年來軟件工程的新發展,在集群和多核計算機上能夠實現大規模的高性能三維模擬。
    6) VSim被設計成支持多種領域的等離子體問題的研究,適合很大范圍的等離子體研究領域,除了微波設備之外,也可以用于射頻/直流放電,加速器,激光等離子體物理,粒子束技術,光子晶體等多種研究中。


2. 典型應用案例

    VSim能夠計算的模型包括:
    擊穿過程,包括沿面閃絡、高功率設備的微放電和微波、射頻擊穿、直流高壓擊穿;
    放電問題,包括磁控濺射、DBD放電、沉積以及等離子體開關等;
    … …


2.1 沿面閃絡Flashover模擬

    真空沿面閃絡是制約某些功率器件性能的最主要的因素,VSim已經被LLNL成功用于閃絡初始階段模擬。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。應用論文參見:"Progress on Simulating the Initiation of Vacuum Insulator Flashover", 17th IEEE International Pulsed Power Conference Washington D.C., DC, United States June 29, through July 2, 2009。


1. 閃絡的主要物理過程

    1) 初始電子產生:
        三相點附近的場致發射;
        微小突起/吸附氣體/發射閾值較低。
    2) 電子在介質表面倍增:
        電子被加速并被介質表面電荷產生的電場拉回表面;
        介質被電子轟擊后產生二次電子;
        二次電子形成雪崩過程并形成飽和電流。
    3) 表面出氣并擊穿的過程:
        介質表面吸附的氣體分子在電子轟擊下釋放;
        沿著表面形成氣體擊穿過程。

三相點二次電子崩表面出氣


2. LLNL閃絡模擬的實驗與VSim模擬示意圖

    1) 初始電子發射:
        內置場致發射的Fowler-Nordheim模型,可直接定義定義逸出功,場增強因子,溫度等參數;
        內置光電子發射模型;
        允許用戶自定義電子發射模型。
    2) 電子在介質表面倍增:
        二次電子發射系數可以采用最一般的形式,并可考慮材料性質不同;
        內置Furman-Pivi唯象模型。

    允許用戶自定義電子發射模型(數據可以由文件導入)。
    3) 真實的介質表面:
        采用Cutting-Cell技術,保證了介質表面形狀的準確性,從而二次電子發射過程的正確描述。
    4) 靜電/靜磁/電磁:
        可以考慮背景氣體,可以與蒙特卡洛方法考慮帶電粒子與背景氣體的碰撞與電離過程;
        內置Ar、氮氣、氧氣等中性氣體,允許用戶自行導入氣體截面;
        可導入外磁場或采用電磁模型。

3. LLNL閃絡模擬結果
1) 真空閃絡中初始電子的發射過程2) 不同傾角下的靜電場分布和電子軌跡


2.2 平行板斜面介質沿面閃絡過程全程模擬
    利用VSim的大粒子數分析和雪崩控制能力,可以跟蹤閃絡發生和發展的整個過程。下面是平行板電極-45度錐角環氧樹脂系統中發生的閃絡過程的全程跟蹤,25KV電壓脈沖由右側進入,下方為陰極,上方為陽極。可以看到脈沖對閃絡的驅動過程以及脈沖消失后電子束的擴散。


2.3 激光觸發指狀電極沿面放電模擬

    利用激光照射電極表面,可以觸發出電子注,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,立刻引發起電子發射,隨即發生電子倍增和閃絡。圖中顯示了電子注的產生和運動,并由于靜電斥力而發散。

2.4 充氣波導高功率微波擊穿模擬

    利用激光照射電極表面,可以觸發出電子注,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,立刻引發起電子發射,隨即發生電子倍增和閃絡。圖中顯示了電子注的產生和運動,并由于靜電斥力而發散。

2.5 高電壓擊穿3D模擬

    模擬幾何為 4cm x 4cm x 8cm 的3D 空間,劃分為120 x 120 x 300 個網格。圖中藍色區域為針頭的剖面,針頭為陰極,而陽極板直接安放在模擬區間的右側邊界上。這里針頭被建模成簡單的長方體,截面邊長4mm,實際中也可以使用更加貼近實際的針尖形狀。
    模擬空間內充滿氮氣,0.1 個大氣壓。

幾何形狀

電場分布


T=3.65 ns的2D電子分布圖和3D散點圖

T=4.65 ns的電子2D分布圖和3D散點圖

 

 

1.VSim軟件簡介
2.激光等離子體作用
3.微波源與微波器件研究
5.加速器應用
6.放電等離子體與材料處理
7.航天與空間等離子體研究
8.復雜介質中的電磁波
9.雷達與天線設計
10.多物理場仿真

 

 

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