Модуль Трассировка частиц

Новое приложение: Charge Exchange Cell Simulator (Моделирование камеры нейтрализации заряда частиц)

Камера нейтрализации заряда частиц представляет собой вакуумный резервуар, в которой находится объем газа под повышенным давлением. Когда через этот газ повышенной плотности проходит пучок ионов, ионы обмениваются зарядом с газом. В результате образуются энергетически нейтральные частицы. Скорее всего, в реакциях обмена зарядом примет участие только некоторая часть ионов пучка. Поэтому для нейтрализации пучка используется пара заряженных отражающих пластинок, расположенных снаружи камеры. Так можно получить энергетически нейтральный источник.

Приложение для моделирования камеры нейтрализации заряда частиц моделирует взаимодействие пучка протонов с камерой нейтрализации заряда частиц, содержащей инертный газ аргон. Пользователь может указать значения нескольких геометрических параметров газовой ячейки и вакуумной камеры, характеристики пучка и заряженных пастинок, используемых для отражения остаточных ионов.

Это приложение для моделирования вычисляет эффективность ячейки обмена зарядом, измеряемую долей нейтрализованных ионов, а также фиксирует статистические данные о различных типах произошедших столкновений.

Пользовательский интерфейс приложения Charge Exchange Cell Simulator (Моделирование камеры нейтрализации заряда частиц) Пользовательский интерфейс приложения Charge Exchange Cell Simulator (Моделирование камеры нейтрализации заряда частиц)

Пользовательский интерфейс приложения Charge Exchange Cell Simulator (Моделирование камеры нейтрализации заряда частиц)

Новое приложение: Laminar Static Particle Mixer Designer (Проектирование ламинарных статических смесителей частиц)

Жидкость в статическом смесителе движется по трубе, оснащенной неподвижными лопастями. Такой способ перемешивания особенно хорошо подходит для перемешивания ламинарного потока, поскольку падение давления в этом случае невелико. При нагнетании и движении жидкости по магистрали ее перемешивают поперечные лопатки с чередующимися направлениями. Технология статического смешивания позволяет предельно точно регулировать степень смешивания во время процесса. Однако эксплуатационные характеристики смесителя сильно зависят от его геометрических параметров.

Приложение Laminar Static Particle Mixer Designer (Проектирование ламинарных статических смесителей частиц) вычисляет скорость течения жидкости и поле давления внутри статического смесителя, а также траектории частиц, переносимых жидкостью. Частицы обладают массой, поэтому они не точно следуют линиям тока жидкости — некоторые из них сталкиваются с лопастями.

В этом примере приложения расчитывается вероятность прохождения частиц сквозь смеситель. Кроме того, приложение вычисляет индекс рассеивания, который служит мерой однородности перемешивания различных видов частиц.

Поле скорости жидкости в ламинарном статическом смесителе (векторная диаграмма) и скорость движения в поперечном сечении (график сечения). Поле скорости жидкости в ламинарном статическом смесителе (векторная диаграмма) и скорость движения в поперечном сечении (график сечения).

Поле скорости жидкости в ламинарном статическом смесителе (векторная диаграмма) и скорость движения в поперечном сечении (график сечения).

Траектории частиц в ламинарном статическом смесителе. Для простоты визуализации работы смесителя отрисовывается только часть частиц. Цвет частицы отражает ее начальное положение. Траектории частиц в ламинарном статическом смесителе. Для простоты визуализации работы смесителя отрисовывается только часть частиц. Цвет частицы отражает ее начальное положение.

Траектории частиц в ламинарном статическом смесителе. Для простоты визуализации работы смесителя отрисовывается только часть частиц. Цвет частицы отражает ее начальное положение.

Возможность использовать грани и точки в качестве источников

В COMSOL Multiphysics версии 5.2 добавлены новые узлы, Release from Edge (Использовать ребро в качестве источника) и Release from Point (Использовать точку в качестве источника), позволяющие использовать ребра и точки геометрии в качестве источников лучей. При испускании частиц из грани их положение может быть определено на основе сетки, откорректировано с помощью пользовательской функции плотности или равномерно распределено вдоль всей протяженности грани.

Поддерживается испускание частиц из произвольной кривой, например, показанной выше спирали. Поддерживается испускание частиц из произвольной кривой, например, показанной выше спирали.

Поддерживается испускание частиц из произвольной кривой, например, показанной выше спирали.

Улучшенная функция испускания на основе плотности

Для функций испускания частиц, позволяющих установить их положение с помощью распределения плотности, добавлены новые настройки, благодаря которым они стали работать еще точнее. Значения новых параметров, Release distribution accuracy order (Порядок точности распределения испускания) и Position refinement factor (Множитель для уточнения положения), можно задать в настройках узлов Release, Inlet (Выпуск, Вход) и Particle Beam (Пучок частиц), а также нового узла Release from Edge (Использовать ребро в качестве источника). Улучшение точности наиболее велико в случаях, когда базовая сетка слишком грубая или значение плотности частиц для различных элементов сетки существенно разнится.

Частицы испускаются на грубую сетку с гауссовым распределением начальных координат. При значении множителя Position refinement (Уточнение положения) 10 (красная линия) распределение положения частиц точнее совпадает с заданным, чем при значении 0 (синяя линия).

Частицы испускаются на грубую сетку с гауссовым распределением начальных координат. При значении множителя Position refinement (Уточнение положения) 10 (красная линия) распределение положения частиц точнее совпадает с заданным, чем при значении 0 (синяя линия).

Частицы испускаются на грубую сетку с гауссовым распределением начальных координат. При значении множителя Position refinement (Уточнение положения) 10 (красная линия) распределение положения частиц точнее совпадает с заданным, чем при значении 0 (синяя линия).

Столкновения с обменом зарядом

Теперь в узле Collisions (Столкновения) вы можете задать два новых типа столкновений: Resonant Charge Exchange (Резонансный обмен зарядами) и Nonresonant Charge Exchange (Нерезонансный обмен зарядами).

Узел Resonant Charge Exchange (Резонансный обмен зарядами) используется в случае, если заряженные ионы вступают в реакции обмена зарядом с окружающими нейтральными атомами того же элемента или молекулами того же вещества. Функция Nonresonant Charge Exchange (Нерезонансный обмен зарядами) используется в случае, если ионизированные и нейтральные компоненты являются разными элементами или веществами. В обоих случаях после столкновения возможно продолжить слежение за ионизированными и (или) нейтральными компонентами.

В камере нейтрализации заряда частиц заряженный пучок протонов (красный цвет) распространяется в газонаполненной камере (светло-серый цвет), в которой поддерживается повышенное по сравнению с окружающей средой давление. В возникающих столкновениях с обменом зарядом формируются быстрые нейтральные ионы водорода (синий цвет) и медленные ионы аргона (зеленый цвет). В камере нейтрализации заряда частиц заряженный пучок протонов (красный цвет) распространяется в газонаполненной камере (светло-серый цвет), в которой поддерживается повышенное по сравнению с окружающей средой давление. В возникающих столкновениях с обменом зарядом формируются быстрые нейтральные ионы водорода (синий цвет) и медленные ионы аргона (зеленый цвет).

В камере нейтрализации заряда частиц заряженный пучок протонов (красный цвет) распространяется в газонаполненной камере (светло-серый цвет), в которой поддерживается повышенное по сравнению с окружающей средой давление. В возникающих столкновениях с обменом зарядом формируются быстрые нейтральные ионы водорода (синий цвет) и медленные ионы аргона (зеленый цвет).

Улучшения функции Particle Beam (Пучок частиц)

Для функции Particle Beam (Пучок частиц) добавлены новые возможности, позволяющие проще задавать поперечные положения и распределения скорости. Теперь в моделях стало намного легче создавать пучки частиц, характеризующиеся эллипсами определенного размера, формы и направления в фазовом пространстве. Улучшенный внешний вид уравнения дополнен изображениями, иллюстрирующими возможности различных опций.

Выборка Ориентация Способ задания скорости Изображение
Однородная Вертикальная Параметры Твисса
Однородная Не вертикальная Параметры Твисса
Однородная Вертикальная Размеры эллипса
Однородная Не вертикальная Размеры эллипса
по Гауссу Вертикальная Параметры Твисса
по Гауссу Вертикальная Параметры Твисса
по Гауссу Вертикальная Размеры эллипса
по Гауссу Не вертикальная Размеры эллипса

Счетчики частиц

Функция Particle Counter (Счетчик частиц), применимая к областям и границам, позволяет получать информацию о частицах, попадающих на набор выбранных областей или границ из функции-источника. Счетчик регистрирует количество переданных частиц, вероятность передачи, массовую скорость потока и другие численные характеристики. Эта возможность, добавленная в COMSOL Multiphysics 5.2, представляет результаты в виде удобных выражений, которые можно использовать в узле Filters (Фильтры) графика Particle Trajectories (Траектории частиц). Так можно визуализировать только те частицы, которые попали на выбранные счетчики.

Ниже приводится список переменных, поддерживаемых функцией Particle Counter (Счетчик частиц). Здесь <tag> — метка функции.

  • <tag>.Nfin
    • Количество частиц, излученных функцией-источником и зарегистрированных счетчиком частиц на конечный момент времени.
  • <tag>.Nsel
    • Количество частиц, излученных функцией-источником и зарегистрированных счетчиком частиц.
  • <tag>.alpha
    • Вероятность прохождения частицы от функции-источника к счетчику частиц.
  • <tag>.rL
    • Логическое условие добавления частиц. Его можно указать в узле Filter (Фильтр) графика Particle Trajectories (Траектории частиц), чтобы визуализировать только те излученные компонентом-источником частицы, которые достигли счетчика.
  • <tag>.It
    • Ток от компонента-источника к счетчику частиц. Эта переменная доступна только для интерфейса Charged Particle Tracing (Трассировка заряженных частиц), если в настройках источника частиц выбрано значение Specify current (Задать ток).
  • <tag>.mdott
    • Массовая скорость потока от функции-источника к счетчику частиц. Эта переменная доступна только для интерфейса Particle Tracing for Fluid Flow (Трассировка частиц для потока жидкости), если в настройках источника частиц выбрано значение Specify mass flow rate (Задать массовую скорость потока).

Если в качестве функции Particle Counter (Счетчик частиц) используется функция Particle Beam (Пучок частиц) интерфейса Charged Particle Tracing (Трассировка заряженных частиц), то пользователю доступны дополнительные переменные — среднее положение, скорость и энергия переданных частиц.

Взаимодействие частиц с веществом

Теперь вы можете моделировать взаимодействие обладающих энергией ионов с твердым телом с помощью специализированной функции Particle-Matter Interactions (Взаимодействия частиц с веществом). Эта функция поддерживает две подфункции для различных типов взаимодействий:

  • Функция Ionization loss (Ионизационные потери) служит для моделирования непрерывной потери энергии при взаимодействии ионов с электронами материала мишени.
  • Функция Nuclear stopping (Торможение на ядрах) служит для моделирования отклонения обладающих энергией ионов на ядрах материала мишени.

Чем больше начальная кинетическая энергия ионов, тем большую роль в их взаимодействии с твердыми материалами играет потеря ионизации и тем меньшую — стохастические взаимодействия с ядрами. В результате ионы с высокой энергией движутся практически по прямой, а ионы с низкой энергией — более хаотично. Чем больше начальная кинетическая энергия ионов, тем большую роль в их взаимодействии с твердыми материалами играет потеря ионизации и тем меньшую — стохастические взаимодействия с ядрами. В результате ионы с высокой энергией движутся практически по прямой, а ионы с низкой энергией — более хаотично.

Чем больше начальная кинетическая энергия ионов, тем большую роль в их взаимодействии с твердыми материалами играет потеря ионизации и тем меньшую — стохастические взаимодействия с ядрами. В результате ионы с высокой энергией движутся практически по прямой, а ионы с низкой энергией — более хаотично.

Новая учебная модель: Ion Range Benchmark (Оценка ионного диапазона)

Модель Ion Range Benchmark (Оценка ионного диапазона) имитирует движение протонов с определенной энергией сквозь кремний как с потерей ионизации, так и с рассеиванием на ядрах. Исходная энергия протонов изменяется от 1 кэВ до 100 МэВ с помощью параметрического анализа.

Средняя длина пробега протонов сравнивается с опубликованными значениями ионных диапазонов в условиях непрерывно замедляющейся аппроксимации (CSDA) и глубины их внедрения в исходном направлении движения. Данные моделирования хорошо согласуются с результатами экспериментов.

Сравнение вычисленной длины пробега (красный цвет) с экспериментальными измерениями ионного диапазона в условиях постоянно замедляющейся аппроксимации, а также с экспериментальными значениями глубины внедрения. Сравнение вычисленной длины пробега (красный цвет) с экспериментальными измерениями ионного диапазона в условиях постоянно замедляющейся аппроксимации, а также с экспериментальными значениями глубины внедрения.

Сравнение вычисленной длины пробега (красный цвет) с экспериментальными измерениями ионного диапазона в условиях постоянно замедляющейся аппроксимации, а также с экспериментальными значениями глубины внедрения.

Новая учебная модель: Sensitive High-Resolution Ion Microprobe (SHRIMP) (Чувствительный ионный микрозонд с высокой разрешающей способностью)

Чувствительный ионный микрозонд с высокой разрешающей способностью (Sensitive High-Resolution Ion Microprobe или SHRIMP) используется для передачи ионов с заданной начальной энергией и заданным отношением заряда к массе. Чтобы получить ионы с нужными характеристиками, входящий пучок подвергается воздействию соответствующим образом настроенных электрических и магнитных сил. Вначале пучок проходит через искривленную область, в которой действует радиальная электрическая сила, потом — через вторую искривленную область, в которой действует магнитный поток однородной плотности.

В этой учебной модели функция Particle Beam (Пучок частиц) пакета COMSOL Multiphysics® используется для исследования рабочих характеристик высокоточного спектрометра, в котором на детектор поступает лишь часть входящего пучка. Модель рассчитывает вероятность прохождения и представляет номинальную траекторию переданного пучка в наглядном виде.

В чувствительном ионном микрозонде с высокой разрешающей способностью (SHRIMP) пучок ионов подвергается воздействию радиального электрического поля (красный цвет) и последующему воздействию магнитного потока с однородной плотностью (синий цвет). Цветом пучка обозначена нормальная составляющая скорости частицы. В чувствительном ионном микрозонде с высокой разрешающей способностью (SHRIMP) пучок ионов подвергается воздействию радиального электрического поля (красный цвет) и последующему воздействию магнитного потока с однородной плотностью (синий цвет). Цветом пучка обозначена нормальная составляющая скорости частицы.

В чувствительном ионном микрозонде с высокой разрешающей способностью (SHRIMP) пучок ионов подвергается воздействию радиального электрического поля (красный цвет) и последующему воздействию магнитного потока с однородной плотностью (синий цвет). Цветом пучка обозначена нормальная составляющая скорости частицы.