CST自帶案例：粒子槍仿真和Track Solver追蹤求解
這一期我們一起看一下CST自帶案例之一，電子槍。ComponentLibrary 中搜Gun，然后選ElectronGun模型，其他粒子槍模型也是不錯的學(xué)習(xí)案例。直接看模型不容易理解，這里我們從模板開始，重新建模仿真學(xué)習(xí)粒子工作室的Trk-solver追蹤求解器。
Step 1. 粒子追蹤模板
粒子槍可以屬于加速器件類，也可以屬于真空電子裝置類，總之Trk-solver是推薦，輔助為靜電場求解器Es-solver和靜磁場求解器Ms-solver。
Step 2. 陰極陽極建模
先畫第一個圓柱作為離子源和陰極，圓柱取名為Emission，以坐標原點為中心，半徑1mm，Z+方向高為0.1mm，材料為默認PEC，在粒子工作室中的PEC默認不會讓粒子通過，也不會發(fā)生電子撞擊造成的電離，可在屬性中粒子界面根據(jù)需要更改，這里我們用默認就可以。
然后利用本地坐標，在Z=20mm的平面上畫第二個空心圓柱，內(nèi)半徑5mm，外半徑6mm，高1mm，材料同為PEC，取名Anode，作為陽極。兩個圓柱中心為同軸Z軸。
然后定義兩個電勢差，圓柱Emission為potential1 = -5000V，藍色陰極；圓環(huán)Anode為potential2=0V，紅色陽極。
然后定義粒子源，選Particle Circular Source，再選陰極圓柱的上沿，這里我們假設(shè)電子以同心圓的形式產(chǎn)生。默認Emissiondensity 發(fā)散密度中的Lines為5，就是5個同心圓區(qū)域，points為81，就是圖中藍點個數(shù)81。
粒子源定義追蹤算法，選Space Charge, 編輯中發(fā)射電勢選potential1，參考電勢自動是potential2，就是-5000V，下面的粒子屬性選electron，也就是我們的模型是個電子槍。如下圖：
CST還有很多追蹤算法，這里不過多解釋。簡單地說，Space Charge是空間粒子模型，粒子形成的電流密度滿足Child-Langmuir模型；空間中的電子會將理想線性電動勢拉低成并變成非線性，甚至將發(fā)射電極的位置等效地向參考電極位置靠近，如圖中的藍色點面和紅網(wǎng)格就不在一個平面上。
這里還可以定義二維平面的粒子監(jiān)視器，可同時定義多個平面，這里我們定義一個在Z=30的平面上。當然在電子束路徑上每隔一段距離加一個平面對后處理有好處，比如可以用來提取包絡(luò)形狀，或者像醫(yī)院CT掃描一樣切片看粒子分布。
邊界條件為open (add space if), 并且我們手動在Z+方向上多加一些距離，因為電子路徑會朝著Z+方向延伸。
Step 3. 仿真和結(jié)果
接下來我們直接開始仿真，看看這樣的陰極陽極能有什么效果。Trk-solver中選Low Frequency和E-static靜電場，因為我們的陰陽極都是靜態(tài)，這里會自動調(diào)用Es-solver。
仿真結(jié)束后，三維結(jié)果查看Trajectories，粒子路徑。
可以看到粒子顏色由藍變紅，能量增加，被圓環(huán)陽極吸引發(fā)散。
再看靜電場E-field，也就是電勢對距離的偏導(dǎo)，大部分集中在陰極附近，庫侖力加速基本也就集中在靠近陰極的區(qū)域。
還有粒子密度，由于是電子，顏色表示相反，藍色的庫倫密度是更密集電子。
因為目前只有電場加速沒有磁場改變方向來聚集波束，目前還不算是個電子槍，最多算個簡單的電子加速器，還是發(fā)散的。
Step 4. 加線圈靜磁場仿真
接下來我們在陽極圓環(huán)前方加個同軸線圈，電流為0.4A，1000匝，type為stranded，也就是電流均勻分布于截面。建模可以用sweep curve（畫個圓圈曲線，方型截面curve，sweep curve功能）。
有了線圈，Trk-solver 中就可以加上靜磁場了，直接仿真。
仿真結(jié)束我們先看B-field磁感應(yīng)強度，不出所料的回路分布。這里可以用洛倫茲力預(yù)測一下電子的受力和路徑。
比如拿陰極圓柱上半部為例，也就是圖中Y-方向，紅色箭頭指尖位置。生成電子右移（Z+），電流向左（Z-），磁場有少量向下分量（主要分量在Z+），根據(jù)左手定則，受力由紙面向外（讀者應(yīng)該是手心朝上的“無辜”手勢，拇指向自己），所以從右看是順時針旋轉(zhuǎn)地向線圈和陽極移動。
好了不為難個別左右手定則搞不清的朋友，直接看路徑結(jié)果：
從陰極電子源看進去順時針旋轉(zhuǎn)。確實電子束有收斂，但是聚焦點很遠，下一步我們要再加強磁場。
Step 5. 再加線圈靜磁場仿真
將線圈coil1 復(fù)制一個在陽極圓環(huán)后面。開始仿真，仿真結(jié)束后可看到電子束焦點。
我們的二維監(jiān)視器平面也是接收到了81個電子。
其他后處理包括提取不同截面的粒子分布，焦點的坐標，能量直方圖等等，這里我們就留給讀者自己探索。
最后再提個小技巧，可以在求解器列表選轉(zhuǎn)換Es-solver 或Ms-solver做一些設(shè)置，再回來Trk-solver繼續(xù)仿真。比如去靜電場Es-solver的specials 設(shè)置不同的邊界的電勢處理。
