三維帶電粒子運動分析是CST Studio Suite擅長的計算領域之一。碩迪在這里為您介紹帶電粒子的四種求解器的特點和求解器選擇的思路。

CST 電磁仿真套件和帶電粒子運動分析

CST Studio Suite在帶電粒子運動分析方面有著悠久的歷史，繼承了其前身軟件MAFIA具有高能加速器開發(fā)背景的功能，并增強了許多功能。因此，可以模擬與帶電粒子運動相關的各種設備和現(xiàn)象。

CST PARTICLE STUDIO目前有四種求解器：

三維帶電粒子運動分析是CST Studio Suite擅長的計算領域之一。這篇文章碩迪將為您介紹帶電粒子的四種求解器的特點和求解器選擇的思路。

此外，由于帶電粒子的運動與電磁場密切相關，因此高低頻和靜電場的求解器也很重要。

CST PARTICLE STUDIO的四種求解器

一。 固定帶電粒子束的 Trk 求解器

Trk 求解器（跟蹤求解器）基本上是一種計算帶電粒子在靜電或靜磁場中軌跡的求解器。由于通過迭代計算考慮了空間電荷，因此也可以適當處理高電流束。另外，當電流很大，束流能量很高時，會出現(xiàn)束流本身產生的自磁場，產生束流聚焦效應，也可以用類似的回路來考慮。

二。用于瞬變和帶電粒子-電磁相互作用現(xiàn)象的 PIC 求解器

PIC 求解器（粒子單元求解器）能夠進行動態(tài)模擬，例如帶電粒子瞬變和與電磁波的相互作用。

此求解器使用單元算法中的粒子自洽地計算帶電粒子相對于空間電荷的瞬態(tài)運動。這種算法一般大眾所熟知的，簡單來講，它是一種結合每個時間步的粒子運動方程和麥克斯韋方程進行計算的方法。

這使得模擬時變電磁場（例如微波和短脈沖）的粒子運動成為可能。

三。Es-PIC 求解器：幫助解決瞬態(tài)分析中緩慢的問題

上面提到的PIC求解器在瞬態(tài)分析方面功能強大，但由于求解麥克斯韋方程組，必須滿足Courant-Friedrichs-Lewy條件（也簡稱為Courant條件）才能穩(wěn)定計算。此要求通常會導致所需計算的時間步長更精細。

因此，如果你試圖模擬一個長時間尺度的現(xiàn)象，計算資源將非常巨大，具體執(zhí)行也有些不切實際。

如果您不需要此條件所需的更精細的時間步長，則可以考慮使用 Es-PIC 求解器（Electrostatic PIC Solver）。Es-PIC求解器使用與PIC求解器相同的Particle-in-Cell算法，但是用泊松方程而不是麥克斯韋方程來求解電場，并在每個時間步計算帶電粒子的運動和電場。

在這種情況下，不必滿足 Courant-Friedrichs-Lewy 條件，但是，與 PIC 求解器不同的是，Es-PIC 求解器忽略了高頻電磁場效應。

四。用于分析尾場的 WAK 求解

WAK 求解器（Wakefield Solver）是一種計算稱為尾流場的電磁場的求解器。它是一種特殊的時域求解器，其激發(fā)來自通過直線路徑的線束，沒有對粒子運動的電磁場反饋。尾流電位、尾流阻抗、損耗因數(shù)和沖擊因數(shù)是根據(jù)束束穿過給定結構所激發(fā)的電磁場自動計算出來的。

綜上所述，CST 擁有以上四種用于帶電粒子分析、具有不同特性的求解器，所有這些求解器都可以通過CST仿真套件進行使用，碩迪科技將為您提供CST軟件的采購和CST技術服務。

帶電粒子應用的求解器選擇概念：

電子槍/離子源分析的概念

電子槍和離子源的最佳求解器是具有空間電荷限制發(fā)射、溫度限制發(fā)射、場電子發(fā)射、光電發(fā)射和等離子體鞘層發(fā)射的 Trk 求解器。但是，由于 Trk 求解器是執(zhí)行穩(wěn)態(tài)分析的求解器，因此需要 PIC 求解器或 Es-PIC 求解器來模擬電子槍或離子源內部發(fā)生的瞬態(tài)現(xiàn)象。例如，射頻電子槍需要 PIC 求解器，等離子體離子源內帶電粒子的行為應首先使用 Es-PIC 求解器進行研究。

微波管分析的思路

使用 PIC 求解器模擬微波管，例如磁控管和行波管 (TWT)。用于光束聚焦的電磁鐵和永磁體與靜磁場求解器一起使用。本征模求解器和頻域求解器對于微波腔的類冷測試設計也很有效。另外，在行波管或速調管等微波管的情況下，電子槍和相互作用空間是分開的，電子槍由Trk求解器計算，結果橋接到PIC求解器Particle接口，單獨計算有效。

帶電粒子束 (DC) 應用器件分析的思路

Trk求解器適用于質譜儀、維恩濾波器、X射線管、電子顯微鏡等主要涉及直流帶電粒子束的計算。對于用于光束聚焦和偏轉的電磁鐵和永磁體的設計，還使用靜磁場分析求解器進行仿真。如果不能忽略空間電荷的影響，則通過反復計算考慮該影響。

加速器（射頻/微波）分析方法

由 RF 或微波加速器處理的帶電粒子變成束束，可以考慮使用 PIC 求解器進行模擬。然而，在獲取與尾流場相關的量時，自動計算尾流電位和尾流阻抗的 WAK 求解器很方便。WAK 求解器還用于光束位置監(jiān)視器 (BPM) 仿真。靜磁場分析求解器還用于加速器中電磁鐵和永磁體的設計。

等離子應用設備及放電現(xiàn)象分析

對于等離子體源、離子推進器、離子源等離子體、放電現(xiàn)象等的仿真，首先考慮使用 Es-PIC 求解器，它最適合大時間尺度現(xiàn)象的瞬態(tài)分析。這些計算目標包括帶電粒子和中性氣體之間的碰撞過程。但是，PIC 求解器用于多反應器放電，這是真空中由于微波引起的電介質擊穿。

以上為碩迪介紹的CST Studio Suite中帶電粒子運動分析求解器的特點和典型的計算對象，希望它們能提供一些幫助。

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