CST入門05-CST材料庫(kù)和材料屬性詳細(xì)介紹（4）

來源：OPERA仿真專家之路更新時(shí)間：2024-06-22 閱讀：

來到Particle粒子頁：

Volume transparency settings：

設(shè)置的粒子是否可以穿透體的性質(zhì)。三種設(shè)置分別是：

Automatic：軟件根據(jù)材料特性自行判斷。PEC(完美導(dǎo)體)類型的材料粒子無法穿透。相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率相等的Normal材料視為真空，粒子可以穿透。當(dāng)這個(gè)判據(jù)不符合使用需求時(shí)，手動(dòng)選擇輸入特性。

Transparent：粒子可以穿透該材料。

Non-transparent：粒子不可以穿透該材料。

Ionization

電離是可以用CST粒子工作室中的PIC求解器模擬的物理過程之一。包括電子碰撞電離的蒙特卡羅(MC)模型，電子-中性原子碰撞隨機(jī)發(fā)生，產(chǎn)生離子-電子對(duì)。

方法假設(shè)中性單原子氣體背景占據(jù)了整個(gè)背景空間。氣體密度、壓力和溫度在空間上是均勻的，它們不受電離過程的影響。

碰撞頻率取決于氣體密度、碰撞截面和入射粒子與目標(biāo)粒子之間的相對(duì)速度。

碰撞截面取決于入射粒子的能量。由于入射粒子是電子，目標(biāo)粒子是中性原子，假設(shè)電子速度快得多，因此中性原子速度被忽略。通過導(dǎo)入能量和截面的table形式函數(shù)定義。

關(guān)于碰撞軟件假設(shè):

1. 碰撞單獨(dú)發(fā)生。

2. 碰撞以恒定的速率發(fā)生，這個(gè)速率由碰撞頻率給出。

3.兩種碰撞不可能在同一時(shí)間發(fā)生。求解器的時(shí)間步長(zhǎng)是有限的，在一個(gè)步長(zhǎng)中可以發(fā)生任意多個(gè)碰撞。

4. 在某一時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生碰撞的概率與該時(shí)間間隔長(zhǎng)成比例。

在電離碰撞模型中，二次離子電荷的絕對(duì)值等于電子電荷的絕對(duì)值。動(dòng)量和電流是守恒的。能量不守恒。只有當(dāng)入射粒子是電子，且入射電子能量大于電離閾能時(shí)，碰撞才會(huì)發(fā)生。

離子的速度分布遵循Maxwell-Boltzmann分布。分布由設(shè)置的離子溫度來表征的，這里假定就等于氣體溫度。

低能電子的散射近似各向同性，而隨著能量的增加，散射變得越來越各向異性

Enable：這里打鉤開啟碰撞電離。

打開Settings對(duì)話框

Ionization cross-section import：打開導(dǎo)入對(duì)話框。橫截面數(shù)據(jù)可以從文本文件中導(dǎo)入。

文本格式一般是能量eV和截面積m^2。軟件從文本中得到臨界值。如下例則16eV時(shí)電離效應(yīng)產(chǎn)生。

Ion mass：電離產(chǎn)生的離子的質(zhì)量。使用原子質(zhì)量單位(u)輸入。1 u = 1/NA 克 = 1/(1000 NA) 千克 (NA為阿伏伽德羅常數(shù)) =1.66053886×10^-27 kg ;

Pressure：背景氣體壓力。氣體壓強(qiáng)越高，碰撞頻率就越高，電離率也就越高。

Electron energy spread：控制低能量二次電子能量分布的參數(shù)。

Ion temperature：離子產(chǎn)生的速度遵循Maxwell-Boltzmann速度分布。設(shè)置離子溫度控制產(chǎn)生的離子的平均能量。

回到Particle頁中，Properties：從下拉列表中選擇要使用的材料屬性。當(dāng)不需要粒子相關(guān)的材質(zhì)屬性時(shí)，可以選擇默認(rèn)選項(xiàng)None。

Secondary emission：二次電子發(fā)射將電子和/或離子視為一次粒子。從兩個(gè)下拉列表中選擇相應(yīng)的發(fā)射模型。有Furman, Vaughan和Import導(dǎo)入。

如果使用Import導(dǎo)入：

每個(gè)入射粒子和法向入射粒子的二次電子產(chǎn)量SEY的值可以從文本文件中導(dǎo)入。

文本格式為2列，能量eV與SEY。

Energy PDF（能量概率分布函數(shù)）

Temperature：二次電子發(fā)射的能量是gamma分布的。在等離子體物理中，溫度T單位是eV。

Vaughan二次發(fā)射模型：

Energy max:二次電子產(chǎn)量最大對(duì)應(yīng)的能量。

SEY max:：二次電子最大產(chǎn)量。

Threshold energy:：低于這個(gè)能量閾值，二次電子產(chǎn)量為零。

下圖中紅圈橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)Threshold energy，方圈橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)Energy max，縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)SEY max。

Smoothness:表面的光滑度ks影響上面定義的最大值。通常設(shè)置為1。

Energy PDF（能量概率分布函數(shù)）

Temperature：二次電子發(fā)射的能量是gamma分布的。在等離子體物理中，溫度T單位是eV。

Fuman二次發(fā)射模型：

這里的energy同之前Vaughan的energy max，最大產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的能量。SEY對(duì)應(yīng)SEY max為最大產(chǎn)量。

S參數(shù)影響產(chǎn)量，但SEY的最大值不受s的影響。

題外話：對(duì)比Fruman和Vaughan模型優(yōu)缺點(diǎn)。

Furman模型優(yōu)點(diǎn)：參數(shù)多利于曲線不同區(qū)域的擬合，結(jié)果比較接近實(shí)驗(yàn)值。真二次電子模型的概率模型更接近實(shí)際二次電子發(fā)射概率本質(zhì)。

Furman模型缺點(diǎn)：沒有表面形貌相關(guān)參數(shù)、參數(shù)多不利于規(guī)律尋找和工程應(yīng)用、純數(shù)學(xué)表達(dá)式?jīng)]有深入聯(lián)系物理。

Vaughn模型優(yōu)點(diǎn)：引入smoothness平滑因子表征材料表面粗糙度對(duì)二次電子發(fā)射系數(shù)和能譜的影響；參數(shù)少使用簡(jiǎn)單。

Vaughn模型缺點(diǎn)：僅平滑因子給出了粗略的范圍缺乏對(duì)表面結(jié)構(gòu)具體參數(shù)的描述；沒有區(qū)分彈性散射、非彈性散射和真二次發(fā)射；不同材料、不同入射能力、不同入射角情況下能譜之間僅存在幅度差異，趨勢(shì)曲線基本相同；對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合時(shí)只能對(duì)低能真二次發(fā)射準(zhǔn)確模擬。

Particle頁的Visualization options中Show 1D plot：選擇想要顯示二次電子產(chǎn)量SEY或能量的概率分布函數(shù)PDF。

Incident angle：入射電子的入射角。該值影響SEY和PDF圖。0°為法向入射。

Incident energy PDF：入射電子的入射能量。影響PDF圖。

Incident energy SEY：輸入SEY圖的能量范圍。不影響PDF圖。

二次發(fā)射說完了接下來是Sheet transparency

設(shè)置Sheet類的材料，即一維的零長(zhǎng)度物體，可以使粒子透過。Sheet Transparency就像入射粒子電流和電荷的濾紙一樣。當(dāng)粒子遇到這個(gè)Sheet時(shí)，粒子的宏觀電荷和宏觀質(zhì)量都減小（數(shù)量不變）。透明度percentage設(shè)置在0%和100%之間，表征穿過這個(gè)sheet之后還剩下百分之多少的電荷和質(zhì)量。

Optically Induced Electron Emission

Work function功函數(shù)是一個(gè)與物質(zhì)有關(guān)的量，它規(guī)定了每個(gè)光子產(chǎn)生光電子所需的最低能量。對(duì)于功函數(shù)φ和光頻率w，發(fā)射電子的最大能量為

Material property：

Quanum Efficiency量子效率[%]，即產(chǎn)生的電子與入射光子的比率。

Radiant Seneitivity：輻射靈敏度[mA/W](光電流對(duì)入射光功率的影響)。

Particles per em. Point:每條入射光線產(chǎn)生的宏觀粒子數(shù)。生成的粒子越多，相空間分辨率越高。然后，每個(gè)粒子被分配一個(gè)更小的宏觀電荷，仍滿足上面設(shè)置的物質(zhì)屬性。產(chǎn)生的粒子越多，模擬就越精確，計(jì)算越費(fèi)時(shí)。

接下來來到材料設(shè)置的最后一個(gè)頁：Flow Resistance流阻