引言：等離子，有時(shí)也稱為“被遺忘的物質(zhì)狀態(tài)”，是宇宙中最為豐富的物質(zhì)狀態(tài)。太陽(yáng)、球形閃電、極光，甚至獵戶座星云，都是自然界等離子過(guò)程作用的示例。盡管形態(tài)豐富，等離子物理學(xué)在一定程度上仍然是個(gè)謎團(tuán)，是人們積極研究的主題。目前研究等離子體仿真的公司有COMSOL、Siemens、Ansys、普萊斯麥科技等等。

應(yīng)用領(lǐng)域

等離子體數(shù)值仿真軟件可以廣泛應(yīng)用于微電子設(shè)備與工藝、航空航天、核聚變等領(lǐng)域。在等離子體中存在著多場(chǎng)耦合過(guò)程；等離子體與器壁、電極及基片的相互作用；等離子體放電過(guò)程受外界多參數(shù)控制等因素。

通過(guò)等離子體仿真，可以對(duì)等離子體發(fā)生器的設(shè)計(jì)提供參數(shù)優(yōu)化；對(duì)等離子體工藝過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化；縮短等離子體裝備或工藝過(guò)程的研發(fā)周期。因此等離子體仿真模擬是不可替代的研究手段。目前商業(yè)化等離子體仿真軟件主要來(lái)自海外，迫切需要自主研發(fā)相關(guān)軟件。

軟件介紹

EasyPSim-PIC3D軟件采用三維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，核心算法是三維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格PIC-MCC（粒子云-蒙特卡洛碰撞）。可以用于電子槍、離子源、輝光放電、CCP放電、DBD放電、潘寧放電、磁控濺射、電推進(jìn)、航天器表面充電等模型的計(jì)算。支持用戶定制開發(fā)和新功能擴(kuò)展。

01

前后處理器

支持軟件內(nèi)部建模和支持導(dǎo)入CAD模型。內(nèi)置大量化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)和碰撞截面數(shù)據(jù)庫(kù)，支持用戶自定義添加新的材料和反應(yīng)方程。后處理部分可以顯示結(jié)果的曲線圖、云圖和矢量圖。

圖1. 圖形化界面顯示實(shí)體和進(jìn)行屬性設(shè)置

圖2. 化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)圖形化界面

圖3. 后處理界面

02

求解器特色

采用PIC-MCC（粒子云-蒙特卡洛碰撞）算法，核心計(jì)算過(guò)程包括：

01采用有限元方法求解電磁場(chǎng)

02在非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格內(nèi)追蹤大量粒子運(yùn)動(dòng)

03采用蒙特卡洛方法處理各種碰撞反應(yīng)

功能特點(diǎn)包括：

采用MPI區(qū)域并行算法

能夠處理多種電場(chǎng)電勢(shì)邊界條件

能夠處理多種等離子體與材料相互作用過(guò)程

具有粒子碰撞反應(yīng)功能

EasyPSim-PIC3D求解器能夠仿真帶電粒子和電磁場(chǎng)相互作用，以及帶電粒子之間和帶電粒子與中性氣體之間的多種碰撞反應(yīng)，幫助科學(xué)工作者和工程師掌握非線性復(fù)雜等離子體物理過(guò)程中的物理圖像以及背后的物理機(jī)制。

03

案例介紹

3.1 電子槍

電子槍尺寸：長(zhǎng)5.0 cm，最大半徑為1.5 cm，左側(cè)發(fā)射電極半徑為3.0 mm。凹進(jìn)去的兩個(gè)圓環(huán)從左到右分別為控制極和加速極，發(fā)射極和控制極電壓設(shè)置為-60.0 KV，加速極電壓設(shè)置為0.0 V。

圖4. 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格分區(qū)

圖5. 電子槍案例結(jié)果

對(duì)帶電粒子和電場(chǎng)雙向耦合，以及自動(dòng)區(qū)域劃分并行求解。可以看到粒子被加速的過(guò)程，以及粒子束先匯聚再發(fā)散的現(xiàn)象。

3.2 低氣壓針板輝光放電

圖6. 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

圖7. 輝光放電案例結(jié)果

圖6給出了針電極附近的網(wǎng)格，可以看出四面體網(wǎng)格能夠很好的近似曲面結(jié)構(gòu)。圖7給出了仿真達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的電子密度和電勢(shì)分布圖，仿真結(jié)果和國(guó)際商業(yè)軟件結(jié)果一致。

3.3 磁控濺射放電

圖8. 放電腔室網(wǎng)格切面圖

圖9. 磁場(chǎng)分布圖

圖10. 電子和離子密度分布

圖11. Ar+離子粒子流分布(上)和電勢(shì)分布(下)

從密度分布圖可以看出，電子和離子均被磁場(chǎng)約束，密度空間分布明顯受磁場(chǎng)影響，進(jìn)而導(dǎo)致靶板電極表面的離子粒子流也受磁場(chǎng)影響，呈現(xiàn)空間分布不均勻現(xiàn)象。

電勢(shì)分布結(jié)果顯示電勢(shì)主要降在了陰極靶板附近，有利于加速離子，增大濺射產(chǎn)額。用戶可以根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，增加磁控濺射設(shè)備的濺射速率和均勻性。

上海普萊斯麥科技有限公司的等離子體仿真軟件——EasyPSim-PIC3D。普萊斯麥聯(lián)合上海錦科信息科技有限公司，組建了以博士碩士組成的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，結(jié)合十余年行業(yè)從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，基于FastCAE平臺(tái)開發(fā)的前后處理，自主研發(fā)了EasyPSim-PIC3D。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的国产等离子体仿真软件EasyPSim-PIC3D的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。