CST软件基础五：粒子

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Volume transparency settings：设置的粒子是否可以穿透体的性质。三种设置分别是：Automatic：软件根据材料特性自行判断。PEC(完美导体)类型的材料粒子无法穿透。相对介电常数和磁导率相等的Normal材料视为真空，粒子可以穿透。当这个判据不符合使用需求时，手动选择输入特性。Transparent：粒子可以穿透该材料。Non-transparent：粒子不可以穿透该材料。

Ionization电离是可以用CST粒子工作室中的PIC求解器模拟的物理过程之一。包括电子碰撞电离的蒙特卡罗(MC)模型，电子-中性原子碰撞随机发生，产生离子-电子对。方法假设中性单原子气体背景占据了整个背景空间。气体密度、压力和温度在空间上是均匀的，它们不受电离过程的影响。碰撞频率取决于气体密度、碰撞截面和入射粒子与目标粒子之间的相对速度。碰撞截面取决于入射粒子的能量。由于入射粒子是电子，目标粒子是中性原子，假设电子速度快得多，因此中性原子速度被忽略。通过导入能量和截面的table形式函数定义。

 

关于碰撞软件假设：1. 碰撞单独发生。2. 碰撞以恒定的速率发生，这个速率由碰撞频率给出。3.两种碰撞不可能在同一时间发生。求解器的时间步长是有限的，在一个步长中可以发生任意多个碰撞。4. 在某一时间间隔内发生碰撞的概率与该时间间隔长成比例。在电离碰撞模型中，二次离子电荷的绝对值等于电子电荷的绝对值。动量和电流是守恒的。能量不守恒。只有当入射粒子是电子，且入射电子能量大于电离阈能时，碰撞才会发生。离子的速度分布遵循Maxwell-Boltzmann分布。分布由设置的离子温度来表征的，这里假定就等于气体温度。低能电子的散射近似各向同性，而随着能量的增加，散射变得越来越各向异性
Enable：这里打钩开启碰撞电离。打开Settings对话框

 

 

 

Ionization cross-section import：打开导入对话框。横截面数据可以从文本文件中导入。文本格式一般是能量eV和截面积m^2。软件从文本中得到临界值。如下例则16eV时电离效应产生。

 

Ion mass：电离产生的离子的质量。使用原子质量单位(u)输入。1 u = 1/NA 克 = 1/(1000 NA) 千克 (NA为阿伏伽德罗常数) =1.66053886×10^-27 kg ;Pressure：背景气体压力。气体压强越高，碰撞频率就越高，电离率也就越高。Electron energy spread：控制低能量二次电子能量分布的参数。Ion temperature：离子产生的速度遵循Maxwell-Boltzmann速度分布。设置离子温度控制产生的离子的平均能量。

回到Particle页中，Properties：从下拉列表中选择要使用的材料属性。当不需要粒子相关的材质属性时，可以选择默认选项None。Secondary emission：二次电子发射将电子和/或离子视为一次粒子。从两个下拉列表中选择相应的发射模型。有Furman, Vaughan和Import导入。

 

 

 

如果使用Import导入：

 

 

 

每个入射粒子和法向入射粒子的二次电子产量SEY的值可以从文本文件中导入。文本格式为2列，能量eV与SEY。Energy PDF（能量概率分布函数）Temperature：二次电子发射的能量是gamma分布的。在等离子体物理中，温度T单位是eV。

 

Vaughan二次发射模型：

 

 

 

Energy max：二次电子产量最大对应的能量。SEY max：：二次电子最大产量。Threshold energy：：低于这个能量阈值，二次电子产量为零。下图中红圈横坐标对应Threshold energy，方圈横坐标对应Energy max，纵坐标对应SEY max。

 

 

 

Smoothness：表面的光滑度ks影响上面定义的最大值。通常设置为1。Energy PDF（能量概率分布函数）Temperature：二次电子发射的能量是gamma分布的。在等离子体物理中，温度T单位是eV。

Fuman二次发射模型：

 

 

 

这里的energy同之前Vaughan的energy max，最大产量对应的能量。SEY对应SEY max为最大产量。S参数影响产量，但SEY的最大值不受s的影响。
题外话：对比Fruman和Vaughan模型优缺点。Furman模型优点：参数多利于曲线不同区域的拟合，结果比较接近实验值。真二次电子模型的概率模型更接近实际二次电子发射概率本质。Furman模型缺点：没有表面形貌相关参数、参数多不利于规律寻找和工程应用、纯数学表达式没有深入联系物理。Vaughn模型优点：引入smoothness平滑因子表征材料表面粗糙度对二次电子发射系数和能谱的影响；参数少使用简单。Vaughn模型缺点：仅平滑因子给出了粗略的范围缺乏对表面结构具体参数的描述；没有区分弹性散射、非弹性散射和真二次发射；不同材料、不同入射能力、不同入射角情况下能谱之间仅存在幅度差异，趋势曲线基本相同；对实验数据进行拟合时只能对低能真二次发射准确模拟。

Particle页的Visualization options中Show 1D plot：选择想要显示二次电子产量SEY或能量的概率分布函数PDF。Incident angle：入射电子的入射角。该值影响SEY和PDF图。0°为法向入射。Incident energy PDF：入射电子的入射能量。影响PDF图。Incident energy SEY：输入SEY图的能量范围。不影响PDF图。

二次发射说完了接下来是Sheet transparency

 

 

设置Sheet类的材料，即一维的零长度物体，可以使粒子透过。Sheet Transparency就像入射粒子电流和电荷的滤纸一样。当粒子遇到这个Sheet时，粒子的宏观电荷和宏观质量都减小（数量不变）。透明度percentage设置在0%和100%之间，表征穿过这个sheet之后还剩下百分之多少的电荷和质量。

Optically Induced Electron Emission

 

 

 

Work function功函数是一个与物质有关的量，它规定了每个光子产生光电子所需的最低能量。对于功函数φ和光频率w，发射电子的最大能量为

 

Material property：Quanum Efficiency量子效率[%]，即产生的电子与入射光子的比率。Radiant Seneitivity：辐射灵敏度[mA/W](光电流对入射光功率的影响)。Particles per em. Point：每条入射光线产生的宏观粒子数。生成的粒子越多，相空间分辨率越高。然后，每个粒子被分配一个更小的宏观电荷，仍满足上面设置的物质属性。产生的粒子越多，模拟就越精确，计算越费时。

接下来来到材料设置的最后一个页：Flow Resistance流阻

 

 

 

Solid properties：流动阻力材料的固体属性是根据局部固体坐标系统定义。默认情况下，流阻无限大。对于局部坐标系(U'， V'， W')的每个方向，可以通过直接输入单位长度损耗系数来定义压力损耗。Flow blocked：流阻无限大-“壁面Wall”。Loss coefficient：单位长度的压力损耗系数。这些是针对有厚度的固体的设置，下面是没有厚度的面片的设置。

Sheet properties有以下几种压力损耗定义类型：Flow blocked：流阻无限大-“壁面Wall”。Loss coefficient：压力损耗系数Free area ratio：自由面积比，孔洞表面的相对覆盖率，数值介于0到1之间。Perforation：多孔材料的形状、距离和大小。软件会自动计算自由面积比和损失系数。FAR为Free area ratio自由面积比，f为Loss coefficient压力损耗系数，两者关系为：

 

 

 

Free area ratio=1(即100%)等同于一个完全开放的表面。这意味着没有压力损失，也就是说损失系数为0。Free area ratio=0%对应的流动面积比值为0，这意味着表面封闭的，相当于一个壁面WALL。这时就等于Flow blocked。当选择Perforation多空材料时，界面如下：

 

 

 

对应参数与Free area ratio关系为Hexagon：

 

 

 

Curcle：

 

 

Square

 

 

 

其中U、V为水平和垂直节距。
至此材料设置的所有内容结束。

 

 

（内容、图片来源：CST仿真专家之路公众号，侵删）

 

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