VORPAL应用-针板结构放电模拟

专业等离子体模拟软件VORPAL应用之----

直流高压针板放电过程的三维模拟

上海锦科信息科技有限公司

2011年6月

目录

1. Tech-X公司介绍 (3)

2. VORPAL等离子体模拟软件简介 (3)

3. VORPAL等离子体应用简介 (4)

4. VORPAL高压击穿模拟的主要原理和特性 (4)

4.1 真空条件下的击穿 (4)

4.2 半真空到很低气压条件下的击穿 (5)

4.3 低气压到常压下的击穿 (5)

5. 针板结构直流电压击穿过程模拟 (5)

5.1 模拟设置 (6)

5.1.1 模拟几何 (6)

5.1.2 电子碰撞和倍增模型设定 (6)

5.1.3 设置初始电子 (7)

5.1.4 外加电压和电场求解 (8)

5.1.5 电子倍增和合并 (8)

5.1.6 诊断和记录 (8)

5.2 模拟过程 (9)

5.2.1 电场求解 (9)

5.2.2 电子发射和倍增 (9)

5.2.3 发展阶段 (9)

5.2.4 击穿阶段 (10)

5.2.5 历史记录 (11)

6. 总结 (12)

1. Tech-X公司介绍

美国Tech-X公司开发的专业等离子体仿真软件VORPAL具有16年的工业应用历史，自锦科科技( )将VORPAL软件引进国内以来，众多核聚变、等离子体推进、等离子体工业应用(脉冲功率器件、高功率微波波导、表面处理、半导体加工等)等领域的客户对VORPAL软件表达了很高的兴趣并取得成功应用。

美国Tech-X公司( )于1994年由John R. Cary博士创立，总部设在美国科罗拉多州博尔德市，是专业的等离子技术软件供应商。Tech-X公司致力于在科学和技术领域取得突破，努力提高用户对物理现象的理解，加速客户产品的研发与创新。

VORPAL软件提供的独特物理模型涵盖整个等离子体和射频领域的仿真问题，借助于VORPAL强大的并行算法，诸多应用领域问题得以求解，例如激光等离子相互作用、等离子体工艺处理、等离子体推进器、粒子加速器和高功率微波波导等； VORPAL软件支持从笔记本、台式机到超级计算机，从单核到数万核并行的多操作系统平台。VORPAL软件被美国能源部多个实验室所采用。

Tech-X系列软件的强大功能包括：

1) VORPAL--2D/3D提供的独特物理模型涵盖整个等离子体和射频领域的仿真问题，借助于VORPAL

强大的并行算法，诸多应用领域问题得以求解，例如激光等离子加速、等离子体工艺处理、等离子体推进、粒子加速器和等离子体填充高功率微波器件等。

2) VORPAL--支持从笔记本、台式机到超级计算机，从单核到数万核并行的多操作系统平台。

3) VORPAL--基于PIC算法，仿真粒子动力学、磁流体、电磁场现象。

4) 高端含化学反应的磁流体软件包Nautilus已经发布。

2. VORPAL等离子体模拟软件简介

VORPAL 提供包括粒子在内的电磁场和静电场分析计算，是研究射频和等离子模型的尖端仿真工具。

PIC建模：

VORPAL可以对1-3维等离子体进行PIC建模，PIC中的场模型和粒子模型都是模块化的，场模型包括静电/电磁/自定义等多种结构及其并行求解，粒子运动模块支持非相对论/相对论/DSMC。全相对论的电磁PIC三维模拟可以实现很高路数的高效率并行。电磁模块同时支持直角坐标和柱坐标，并支持不规则边界的共型网格，对于复杂外形设备可以实现更高的精度。针对高密度梯度场合的模拟，VORPAL引入了可变权重粒子和粒子合并过程。

碰撞和电离建模：

VORPAL使用蒙特卡罗碰撞模块对碰撞和电离过程建模，除了粒子之间的弹性碰撞外，还支中性原子的电子-质子碰撞电离/激发（Z=1-100）、部分双原子气体(O2,N2,H2,CO,CO2)的电子-质子碰撞电离/激发以及部分元素(H,He,Li,Na,Rb,Cs)的场致电离。此外也支持粒子和背景之间的碰撞阻尼过程。

流体模型：

VORPAL 支持在模拟中包含两种流体建模，即关于带电粒子的相对论电磁流体建模和关于中性气体的欧拉流动建模。这种建模可以用于等离子体混合模拟以及放电模拟。

包络(Envelope)模型：

VORPAL支持使用有质动力导向中心近似和包络模型进行激光等离子体相互作用的建模。利用这种方法，可以忽略激光的快速振荡过程而将激光作为有质动力源进行求解，可以极大地降低模拟计算量同时保持模拟精度。

高阶粒子插值：

引入高阶粒子插值过程，可以有效地抑制模拟中的数值自加热，对于LWFA和激光-固体靶作用都具有很好的效果。

高阶电磁场FDTD:

引入4阶空间差分电磁场FDTD，有效压低数值色散误差，对高能(>Gev)电子辐射建模更可靠。

3. VORPAL等离子体应用简介

VORPAL软件的典型应用包括：

惯性约束聚变；磁约束聚变；激光尾场加速LWFA；

激光与固体靶的相互作用；ICF晕区过程和快点火研究；加速器模拟(冷却器)；

托卡马克边界层、加热天线；真空管设计；高功率微波器件；

微波波导和滤波器的击穿过程；太赫兹源与器件；低气压射频放电腔室设计；

光子晶体半导体等离子体加工工艺；探针设计和研究；

灭弧中的介质强度恢复；高压击穿过程和表面闪络；等离子体表面处理；

等离子体隐身技术；等离子体推进；介质阻挡放电；

电子崩和流注火花放电和微放电… …

4. VORPAL高压击穿模拟的主要原理和特性

粒子模拟方法用于高压击穿过程，基本概念是首先设置器件的构型，然后加入所涉及的物理模型，然后不断检测系统中的模拟粒子个数，电流强度或者等离子体密度来确认是否发生击穿。在发生击穿的情况下，可以通过跟踪粒子运动来跟踪击穿过程中电子崩的发展。

整个模拟过程的关键在于：

1) 模拟软件中必须能够包含驱动击穿过程的物理机制；

2) 模拟过程能够跟踪足够长的时间，达到所需要的物理阶段。

从模拟的角度看来，击穿过程的开始阶段可以分成种子电子产生、电子能量获得、雪崩几个部分；此后将发展为流注阶段，流注阶段主要是电子或者离子团块在电磁场作用下集体运动的过程。VORPAL的击穿模拟主要用于这两个阶段。对于这两个阶段的模拟，其可行性和模拟结果的可靠性都依赖于具体物理机制。由于电磁场求解和电子运动的模拟属于VORPAL软件的基本功能，因此在下面的分析中不加讨论。

在模拟方面，击穿过程存在一个共同的问题，即粒子数雪崩：在击穿开始阶段会存在电子数的快速增加（雪崩），因此必须定期合并模拟粒子来避免内存耗尽。对于任何试图跟踪击穿开始和发展阶段的模拟，粒子合并技术（有时称为“重抽样技术”）都是必须的。VORPAL支持多种粒子合并算法，包括简单的2-1合并以及保持能量-动量守恒的4-2合并。

4.1 真空条件下的击穿

在开始阶段，首先有若干(少量)种子电子或者离子的形成。

对于真空中的高强度电场导致金属击穿过程，主要是场致电子发射，对此，VORPAL允许使用CL发射模型(Child-Langmuir space charge limited emission) 和Richardson- Dushman电子发射模型进行描述，后者类似这样

因此，如果金属表面感应到较强的外加电场，就会发射出若干电子。或者极板被光照产生一些电子，这可以使用光电离模型描述。