CST 电磁仿真分析之电子粒子求解器

三维带电粒子运动分析是CST Studio Suite擅长的计算领域之一。硕迪在这里为您介绍带电粒子的四种求解器的特点和求解器选择的思路。

CST 电磁仿真套件和带电粒子运动分析

CST Studio Suite在带电粒子运动分析方面有着悠久的历史，继承了其前身软件MAFIA具有高能加速器开发背景的功能，并增强了许多功能。因此，可以模拟与带电粒子运动相关的各种设备和现象。

CST PARTICLE STUDIO目前有四种求解器：

三维带电粒子运动分析是CST Studio Suite擅长的计算领域之一。这篇文章硕迪将为您介绍带电粒子的四种求解器的特点和求解器选择的思路。

此外，由于带电粒子的运动与电磁场密切相关，因此高低频和静电场的求解器也很重要。

CST PARTICLE STUDIO的四种求解器

一。 固定带电粒子束的 Trk 求解器

Trk 求解器（跟踪求解器）基本上是一种计算带电粒子在静电或静磁场中轨迹的求解器。由于通过迭代计算考虑了空间电荷，因此也可以适当处理高电流束。另外，当电流很大，束流能量很高时，会出现束流本身产生的自磁场，产生束流聚焦效应，也可以用类似的回路来考虑。

二。用于瞬变和带电粒子-电磁相互作用现象的 PIC 求解器

PIC 求解器（粒子单元求解器）能够进行动态模拟，例如带电粒子瞬变和与电磁波的相互作用。

此求解器使用单元算法中的粒子自洽地计算带电粒子相对于空间电荷的瞬态运动。这种算法一般大众所熟知的，简单来讲，它是一种结合每个时间步的粒子运动方程和麦克斯韦方程进行计算的方法。

这使得模拟时变电磁场（例如微波和短脉冲）的粒子运动成为可能。

三。Es-PIC 求解器：帮助解决瞬态分析中缓慢的问题

上面提到的PIC求解器在瞬态分析方面功能强大，但由于求解麦克斯韦方程组，必须满足Courant-Friedrichs-Lewy条件（也简称为Courant条件）才能稳定计算。此要求通常会导致所需计算的时间步长更精细。

因此，如果你试图模拟一个长时间尺度的现象，计算资源将非常巨大，具体执行也有些不切实际。

如果您不需要此条件所需的更精细的时间步长，则可以考虑使用 Es-PIC 求解器（Electrostatic PIC Solver）。Es-PIC求解器使用与PIC求解器相同的Particle-in-Cell算法，但是用泊松方程而不是麦克斯韦方程来求解电场，并在每个时间步计算带电粒子的运动和电场。

在这种情况下，不必满足 Courant-Friedrichs-Lewy 条件，但是，与 PIC 求解器不同的是，Es-PIC 求解器忽略了高频电磁场效应。

四。用于分析尾场的 WAK 求解

WAK 求解器（Wakefield Solver）是一种计算称为尾流场的电磁场的求解器。它是一种特殊的时域求解器，其激发来自通过直线路径的线束，没有对粒子运动的电磁场反馈。尾流电位、尾流阻抗、损耗因数和冲击因数是根据束束穿过给定结构所激发的电磁场自动计算出来的。

综上所述，CST 拥有以上四种用于带电粒子分析、具有不同特性的求解器，所有这些求解器都可以通过CST仿真套件进行使用，硕迪科技将为您提供CST软件的采购和CST技术服务。

带电粒子应用的求解器选择概念：

电子枪/离子源分析的概念

电子枪和离子源的最佳求解器是具有空间电荷限制发射、温度限制发射、场电子发射、光电发射和等离子体鞘层发射的 Trk 求解器。但是，由于 Trk 求解器是执行稳态分析的求解器，因此需要 PIC 求解器或 Es-PIC 求解器来模拟电子枪或离子源内部发生的瞬态现象。例如，射频电子枪需要 PIC 求解器，等离子体离子源内带电粒子的行为应首先使用 Es-PIC 求解器进行研究。

微波管分析的思路

使用 PIC 求解器模拟微波管，例如磁控管和行波管 (TWT)。用于光束聚焦的电磁铁和永磁体与静磁场求解器一起使用。本征模求解器和频域求解器对于微波腔的类冷测试设计也很有效。另外，在行波管或速调管等微波管的情况下，电子枪和相互作用空间是分开的，电子枪由Trk求解器计算，结果桥接到PIC求解器Particle接口，单独计算有效。

带电粒子束 (DC) 应用器件分析的思路

Trk求解器适用于质谱仪、维恩滤波器、X射线管、电子显微镜等主要涉及直流带电粒子束的计算。对于用于光束聚焦和偏转的电磁铁和永磁体的设计，还使用静磁场分析求解器进行仿真。如果不能忽略空间电荷的影响，则通过反复计算考虑该影响。

加速器（射频/微波）分析方法

由 RF 或微波加速器处理的带电粒子变成束束，可以考虑使用 PIC 求解器进行模拟。然而，在获取与尾流场相关的量时，自动计算尾流电位和尾流阻抗的 WAK 求解器很方便。WAK 求解器还用于光束位置监视器 (BPM) 仿真。静磁场分析求解器还用于加速器中电磁铁和永磁体的设计。

等离子应用设备及放电现象分析

对于等离子体源、离子推进器、离子源等离子体、放电现象等的仿真，首先考虑使用 Es-PIC 求解器，它最适合大时间尺度现象的瞬态分析。这些计算目标包括带电粒子和中性气体之间的碰撞过程。但是，PIC 求解器用于多反应器放电，这是真空中由于微波引起的电介质击穿。

以上为硕迪介绍的CST Studio Suite中带电粒子运动分析求解器的特点和典型的计算对象，希望它们能提供一些帮助。

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