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EasyPSim-PIC3D/PIC2D

等离子体粒子仿真

自主研发的等离子体仿真软件EasyPSim-PIC3D/PIC2D采用三维/二维非结构化网格，核心算法是三维非结构化网格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-PIC3D/PIC2D软件可以用于电子枪、离子源、辉光放电、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

支持内部建模和支持导入CAD模型；支持导入cgns格式网格文件。内置大量化学反应数据库和碰撞截面数据库，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、结果动画。

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图1. 图形化界面显示实体和进行属性设置

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图2. 化学反应数据库图形化界面

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图3. 后处理界面

2. 求解器

采用PIC-MCC（粒子云-蒙特卡洛碰撞）算法，核心计算过程包括：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。采用四面体非结构化网格，能够处理科研和工程应用中复杂几何结构；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，包括第一类、第二类（对称边界）、周期性边界、悬浮电势边界，用户可以在多边界上加载多种形式的可随时间变化的电压；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、物理溅射、化学侵蚀等；具有粒子碰撞反应功能，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。

EasyPSim-PIC3D求解器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。

3. 案例介绍

3.1 电子枪

本算例演示了带电粒子和电场双向耦合，以及自动区域划分并行求解。图4是三个并行计算所采用的网格以及网格分区。图5给出了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。

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图4. 非结构化网格分区

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图5. 电子枪案例结果

3.2 低气压辉光放电

图6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。图7给出了仿真达到稳态时的电子密度和电势分布图。

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图6. 非结构化网格

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图7. 辉光放电案例结果

3.3 CCP放电(容性耦合放电)

放电腔室结构如图8，下表面中间放置靶板电极。背景氩气密度为2X10²¹m^-3。靶板电极施加13.56 MHz的射频电压。图9给出了仿真达到稳态时的电子密度和电势分布图。

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图8. 放电腔室结构

图9. CCP放电案例结果

3.4 磁控溅射放电

图12给出了电子和离子密度分布图，图13给出了靶板电极表面的离子粒子流分布图。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。

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