EasyPSim-PIC2D/PIC3D

等离子体粒子仿真

自主研发的等离子体仿真软件EasyPSim-PIC2D/PIC3D采用二维/三维非结构化网格，核心算法是非结构化网格PIC-MCC（粒子云-蒙特卡洛碰撞）。其特点包括易于使用的前后处理器；非结构化非均匀网格，适应复杂几何形状；边界面分组定义，方便模拟粒子壁面反应：二次粒子发射、溅射等；实体及属性分组定义，方便设置金属和不同介质材料属性；能够处理多种碰撞反应：电离、激发、电荷交换等；区域并行，适应大规模并行计算。

EasyPSim-PIC2D/PIC3D软件可以用于电子枪、离子源、辉光放电、火花放电、CCP放电、DBD放电、潘宁放电、磁控溅射、电推进、航天器表面充电、含等离子体库仑力等模型的计算。支持用户定制开发和新功能扩展。

1. 前后处理器

    支持软件内部建模和支持导入CAD模型，支持内部生成网格和导入网格文件。内置多个数据库，包含实体材料属性、粒子组分数据、碰撞截面数据，支持用户自定义添加新的材料和反应方程。后处理部分可以显示结果的曲线图、云图、矢量图、动画。

图1. 图形化界面显示实体和进行属性设置

图2. 化学反应数据库图形化界面

图3. 后处理界面

2. 求解器

PIC2D、PIC3D模块采用PIC-MCC（粒子云-蒙特卡洛碰撞）算法，能够仿真带电粒子和电磁场相互作用，以及带电粒子之间和带电粒子与中性气体之间的多种碰撞反应，帮助科学工作者和工程师掌握非线性复杂等离子体物理过程中的物理图像以及背后的物理机制。

模块特征包括：

采用有限元方法求解电磁场；

在非结构化网格内追踪大量粒子运动；

采用蒙特卡洛方法处理各种碰撞反应，包括电离碰撞、弹性碰撞、激发碰撞、电荷交换碰撞、复合碰撞等；

采用MPI区域并行算法，形成大规模跨节点并行计算能力；

能够处理多种电场电势边界条件，悬浮电势边界、随时间变化的电压设定等；

能够处理多种等离子体与材料相互作用过程，包括反射、二次电子发射、溅射等。

3. 案例介绍

3.1 电子枪

本算例演示了带电粒子在电场中的加速过程，以及自动区域划分并行求解。下图是4并行计算所采用的网格以及网格分区、电势分布和电子位置及速度分布，从图中可以看到粒子被加速的过程，以及粒子束先汇聚再发散的现象。

（a）非结构化网格分区 

(b) 电势分布和电子速度分布

图4. 电子枪案例结果 

3.2 离子引出

仿真区域尺寸为11mm×2.5mm×2.5mm，三个电极的电压分别设置为1000V、-300V、0V，其他边界为neumann边界。

（a）电势分布

（b）离子密度分布

（c）速度分布

图5. 三电极离子引出案例结果

3.3 低气压辉光放电

下电极电压设置为0.0 V，针电极电压设置为-1500.0 V，x y方向为对称边界。背景氩气密度为2.5e21/m^3。下图给出了针电极附近的网格，可以看出四面体网格能够很好的近似曲面结构。下图给出了仿真达到稳态时的电子密度和电势分布图。

（a）非结构化网格 

(b)  电子密度分布、电势分布

图6. 辉光放电案例结果 

3.4 CCP放电(容性耦合放电)

放电腔室结构下图，下表面中间放置靶板电极。背景氩气密度为2e21/m^3。靶板电极施加13.56 MHz、100V射频电压。

（a）放电腔室结构 

(b) 电子密度分布

(c) 电位分布

图7. CCP放电案例结果 

3.5 磁控溅射放电

背景氩气密度为1e20/m^3，靶板电极电压设置为-280.0 V的直流电压。从密度分布图可以看出，电子和离子均被磁场约束，密度空间分布明显受磁场影响，进而导致靶板电极表面的离子粒子流也受磁场影响，呈现空间分布不均匀现象。电势分布结果显示电势主要降在了阴极靶板附近，有利于加速离子，增大溅射产额。用户可以根据仿真结果，对设备结构和参数进行优化，增加磁控溅射设备的溅射速率和均匀性。

（a）放电腔室网格剖面图 

(b) 磁场分布图 

(c) 电子密度分布（剖面图）

（d）离子密度分布（剖面图） 

（e） Ar+离子粒子流分布 （剖面图）

图8.  磁控溅射放电结果

3.6 电荷沉积/充电

本案例计算金属球在等离子体环境中的充电即电荷沉积效应。

图9. 电荷沉积仿真结果 

3.7 卫星表面充电效应计算

本案例计算数十米区域的卫星表面充电效应计算。

（a）网格、电子密度、离子密度 

（b）电位分布、监控点电位变化曲线 

（c）双星模型电子密度分布 

图10.  卫星表面充电案例结果 

3.8 大气压火花放电

EasyPSim-PIC2D直角坐标系，模拟区域5.0 mm×10.0 mm，单针阴极在上，电压设置为-5000V；双针阳极在下，电压设置为5000V。背景气压为1Atm，考虑氮气和氧气，粒子数密度比例设为4:1。

图11. 初始电位、电子密度演化结果

3.9 霍尔推进器放电

采用EasyPSim-PIC2D的圆柱坐标系建立轴对称模型，采用缩比技术将模拟区域缩小50倍，保持效率不变。背景气体为氙气Xe。

图12. 模型、电子密度、氙离子密度结果

3.10 大气压表面介质阻挡放电（SDBD）

贴在介质上下两个表面的电极上外加高压就会在大气中激励出等离子体。阴极嵌入在阻挡介质下表面内部，而阳极暴露在介质的上表面，仿真的区域为2mm×1mm，其中阻挡介质的厚度为0.1mm，阳极尺寸为0.2mm×0.02mm，阴极尺寸为1.6mm×0.04mm。仿真总时间取为10ns，1 Atm空气，组分只考虑N2 : O2 = 4 : 1，在极板间加载的激励电压为高斯形上升沿和下降沿，峰值7kV的梯形脉冲。仿真中考虑了电子和背景气体分子间的弹性碰撞和电离碰撞。

（a）模型

（b）电子密度

（c）电位

图13.  SDBD案例结果

4 总结

EasyPSim-PIC2D/PIC3D软件可以用于电子枪、离子源、辉光放电、火花放电、CCP放电、DBD放电、潘宁放电、磁控溅射、电推进、航天器表面充电、含等离子体库仑力等模型的计算。支持用户定制开发和新功能扩展。

上海普莱斯麦科技有限公司一直致力于等离子体、稀薄气体仿真软件的推广销售、应用定制和技术服务，并致力于开发具有自主知识产权的软件，为国内科研和工业用户提供高质量的产品和服务。