CST粒子束相關求解器匯總
粒子動力學的時間尺度比較大:從納秒級的高頻真空電子設備，微秒級的擊穿現象，到毫秒級的準靜態電子槍。CST針對不同情況有不同的求解器應對，當然準靜態電子槍類我還是極力推崇OPERA的。回歸CST的話題，讓我們來看下CST的粒子束求解器，這次的文章都是文字，就下面這一張圖了，選中粒子工作室模板后可以看到是針對應用產品的，實際上針對這些產品用的無非還是這幾個求解器。
Particle Tracking Solver
準靜態粒子動力學中使用粒子跟蹤PTS求解器。
計算中簡化了電磁場和帶電粒子之間的復雜相互作用。由靜電場和靜磁場主導帶電粒子的動力學行為。忽略粒子電荷和感應電流對電磁場的影響。帶電粒子按照電磁場中電荷的標準運動方程運動。若當具有相同初始條件的粒子在靜電場和磁場中發射，運動軌跡一定是相同的。取每個發射源的有限數量的粒子采樣來實現軌跡描述粒子動力學。在數值計算細節上，將粒子運動與靜態場耦合。從初始位置直到粒子與結構或設置的邊界框碰撞用采樣粒子描述這些軌跡。
在迭代中，考慮粒子的準靜態空間電荷效應對靜電場的影響。適用于當帶電粒子和電磁場之間存在弱耦合的情況。在每次迭代中計算粒子軌跡和電場。迭代循環在滿足收斂條件時停止。
在某些應用中，例如當粒子是相對論性的，束流為強流，就需要考慮自洽的問題了。
Particle-in-Cell Solver（EM-PIC）
EM Particle in Cell(EM-PIC)計算完整的帶電粒子動力學問題。主要用于帶電粒子束和高頻電磁場的相互作用。典型的應用包括高頻真空電子器件，例如磁控管振蕩器和行波管放大器。瞬態模擬時間范圍在納秒到微秒級。
采用跨越式時間積分法。單一的時間步中，對場和粒子做時間的積分。在第一步，電磁場用積分法;這一步考慮了帶電粒子運動引起的電流密度。然后，將更新后的電磁場插值到粒子位置，對每個模擬粒子的運動方程進行時間積分。在模擬時間內不斷循環重復這個過程。
Electrostatic Particle-in-Cell Solver（ES-PIC）
粒子動力學發生在很長的時間尺度內。快速粒子問題用PIC求解器，準靜態問題可以用粒子追蹤法。對于中等時間尺度，慢離子和快電子的相互作用都發揮作用，就需要用到ES-PIC解算器。與EM-PIC解算器（之前提到的PIC求解器）相比，該解算器不受限于在小尺度變化的三維幾何中求解電磁波所需的典型的Courant時間步長。在ES-PIC求解器中，時間步長可以更大，由等離子體頻率的決定。
為了理解ES-PIC求解器的必要性，首先看一下其余求解器。在EM- PIC中，由于麥克斯韋方程中的所有項都保留在方程中，EM場和粒子動力學是自洽的。適用于粒子和電磁波的相互作用占主導地位的問題。這尤其適用于質量小、高速移動的電子，電子束形成的電流足夠影響電磁波的傳播。然而，在許多應用中，不是通過粒子產生電流的而是用別的方法替代的，這時粒子對電磁波的傳播沒有影響。這時電子的主導效應是以空間電荷改變了靜電場。此外，與電子和電磁波相比，離子的速度通常較慢。對于這些情況。目前的EM-PIC求解器計算量太大。另一方面粒子跟蹤法也不是很適用。這時候需要用到ES-PIC求解器，他囊括了靜電效應，如擊穿、鞘層形成、空間電荷補償。
Wakefield Solver
這個在上一篇公眾號上有提及，在粒子加速器中，運動粒子束與周圍環境的相互作用導致其“尾跡”產生電磁場。例如，幾何或材料的不連續性在周圍的加速器結構引起尾流場的激發。磁場會對隨后的粒子束產生不利影響，甚至使定向粒子束不穩定。尾場解算器可用于這種電磁效應的分析。
簡單介紹下2021新加入的一個MCC蒙特卡羅模塊：
Monte-Carlo Collisions蒙特卡羅碰撞
蒙特卡羅碰撞(MCC)模塊模擬帶電粒子和中性背景氣體粒子之間的碰撞。這個模型假設背景氣體的密度比等離子體密度高得多。因此，氣體的熱力學狀態不會因碰撞而改變。碰撞隨機發生，并導致電荷的動量和能量變化。設置為：Solver Setup - Specials-Data Input。
可以定義處于恒定物理狀態和熱力學平衡的單一背景氣體。氣體占據了粒子可以運動的完整模擬區域。下圖顯示Es-PIC的可用選項。這些碰撞包括彈性散射、激發、電子的碰撞電離和離子的彈性散射。使用多線程可以加速MCC的計算。相比下，PIC是考慮電子碰撞離子化模型。
