VORPAL专业等离子体模拟软件

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VORPAL 专业等离子体模拟专家 上海锦科信息科技有限公司 www.btitgroup.com 2011年6月 专业工程软件和技术开发服务提供商  2 / 6  

1. Tech-X公司介绍 美国Tech-X公司开发的专业等离子体仿真软件VORPAL具有16年的工业应用历史，自锦科科技( www.btitgroup.com )将VORPAL软件引进国内以来，众多核聚变、等离子体推进、等离子体工业应用(脉冲功率器件、高功率微波波导、表面处理、半导体加工等)等领域的客户对VORPAL软件表达了很高的兴趣并取得成功应用。 美国Tech-X公司( www.txcorp.com )于1994年由John R. Cary博士创立，总部设在美国科罗拉多州博尔德市，是专业的等离子技术软件供应商。Tech-X公司致力于在科学和技术领域取得突破，努力提高用户对物理现象的理解，加速客户产品的研发与创新。 VORPAL软件提供的独特物理模型涵盖整个等离子体和射频领域的仿真问题，借助于VORPAL强大的并行算法，诸多应用领域问题得以求解，例如激光等离子相互作用、等离子体工艺处理、等离子体推进器、粒子加速器和高功率微波波导等； VORPAL软件支持从笔记本、台式机到超级计算机，从单核到数万核并行的多操作系统平台。VORPAL软件被美国能源部多个实验室所采用。 Tech-X系列软件的强大功能包括： 1) VORPAL--2D/3D提供的独特物理模型涵盖整个等离子体和射频领域的仿真问题，借助于VORPAL强大的并行算法，诸多应用领域问题得以求解，例如激光等离子加速、等离子体工艺处理、等离子体推进、粒子加速器和等离子体填充高功率微波器件等。 2) VORPAL--支持从笔记本、台式机到超级计算机，从单核到数万核并行的多操作系统平台。 3) VORPAL--基于PIC算法，仿真粒子动力学、磁流体、电磁场现象。 4) 专业磁流体软件包Nautilus即将发布。

2. VORPAL等离子体模拟软件简介 VORPAL 提供包括粒子在内的电磁场和静电场分析计算，是研究射频和等离子模型的尖端仿真工具。 2.1 VORPAL基本特征 VORPAL软件为解决所有等离子体模拟问题提供了一系列的物理模型，比如等离子体处理室、等离子推进器、粒子加速器、高功率波导管等，这些只是VORPAL软件系统的众多应用中的几个。VORPAL软件可以在多种计算平台上使用，从笔记本电脑、台式机到拥有上万个处理器的大型并行超级计算机。VORPAL使用标准数据存储格式，用户可以方便地使用各种数据处理工具加以处理。 等离子体运动学模型 VORPAL中的等离子体运动学模型是基于电磁场和静电场极限下的PIC算法(Particle-in-Cell)。对于电磁场，使用了电荷守恒的电流沉积算法，从而能够对Maxwell方程进行积分却无需引入另外的消除发散控制步骤。对于静电场极限，对每个时间点的瞬时电荷分布求解泊松(Poisson)方程。等离子体可以限制于任意形状的粒子和场的结构中，比如：导体、粒子吸收器、反射器等等。边界条件可以是周期性的，也可以是通过完全匹配层边界(PML)来模拟无穷远边界条件。 可操作性 VORPAL程序包提供基于GUI的输入、分析和后处理工具。用户可以在输入文件中定义模型或导入复杂的CAD文件。网格基于Dey-Mittra 剪切单元。VorpalView提供基于GUI的显示和计算结果分析工具，能够得到本征模和特征值等参数，提取波模频率和空间分布信息。VORPAL输出标准的HDF5格式输出文件，便于用户进行数据分析。 可扩展性 VORPAL程序包含在单处理器工作站上运行的串行代码，和基于MPI技术的并行代码。支持Linux、Mac OS X和Windows操作系统上的串行、并行运算。代码中使用域分解技术，能够平衡动态和静态负载。VORPAL程序已经能够在几千到几万个处理器的超级计算机上进行模拟。并行I/O系统能够很好的处理由成千上万个处理器产生的海量数据。断点检查功能和重启功能使VORPAL能长时间持续地进行模拟，而不受计算中心使用政策的限制。VORPAL的并行运算能力使用户可以在合理的时间内得到复杂物理过程的 专业工程软件和技术开发服务提供商  3 / 6  

仿真结果。 物理学研究中的VORPAL模拟 VORPAL程序可以模拟等离子体相关的许多装置，如射频源、中子源、超导射频腔、自由电子激光、激光尾场加速器(LWFA)等。VORPAL模拟能极大地帮助研究这些复杂系统的物理行为和相互作用。 粒子源的VORPAL模拟 VORPAL程序能够用来模拟具有不同用途的多种粒子源。 例如，离子源是一种产生带电粒子的装置，用于质谱仪、粒子加速器、离子注入机和离子发动机等领域。还有，中子源在物理、工程、医药、核武器、石油探测、生物学、化学、核能以及其它工业领域都有广泛的应用。使用VORPAL程序对这些装置加以模拟，研究人员和工程师无需繁复昂贵的测试就可以准确地获得所需的相关参数。应用模拟结果，制造商还可以从各方面检验设计，改进设备的几何参数和其它运行参数，从而研发出更优质的装置。 等离子体推进器的VORPAL模拟 VORPAL可以用来模拟等离子体推进系统，工程师们无需繁复的实际测试就可以精确地进行参数研究。可以利用模拟结果改进等离子体推进器的几何形状、运行参数等方面的设计，取得更好的结果。VORPAL还可以模拟无极等离子体推进器。 半导体加工工艺的VORPAL模拟 VORPAL程序应用于研究模拟电子制造中的等离子体工艺。工程师利用VORPAL模拟结果方便地进行参数研究而无需繁复的实际测试。电磁场中离子和电子构建了射频等离子体的模型。通过模拟，制造者可以从各个方面研究等离子体过程，提高制造工艺。VORPAL程序还可以用来模拟离子源等装置以及磁控溅射等过程，磁控溅射应用于气相沉积等材料加工领域。

2.2 VORPAL求解功能特色 PIC建模： VORPAL可以对1-3维等离子体进行PIC建模，PIC中的场模型和粒子模型都是模块化的，场模型包括静电/电磁/自定义等多种结构及其并行求解，粒子运动模块支持非相对论/相对论/DSMC。全相对论的电磁PIC三维模拟可以实现很高路数的高效率并行。电磁模块同时支持直角坐标和柱坐标，并支持不规则边界的共型网格，对于复杂外形设备可以实现更高的精度。针对高密度梯度场合的模拟，VORPAL引入了可变权重粒子和粒子合并过程。 碰撞和电离建模： VORPAL使用蒙特卡罗碰撞模块对碰撞和电离过程建模，除了粒子之间的弹性碰撞外，还支中性原子的电子-质子碰撞电离/激发（Z=1-100）、部分双原子气体(O2,N2,H2,CO,CO2)的电子-质子碰撞电离/激发以

及部分元素(H,He,Li,Na,Rb,Cs)的场致电离。此外也支持粒子和背景之间的碰撞阻尼过程。 流体模型： VORPAL 支持在模拟中包含两种流体建模，即关于带电粒子的相对论电磁流体建模和关于中性气体的欧拉流动建模。这种建模可以用于等离子体混合模拟以及放电模拟。 包络(Envelope)模型： VORPAL支持使用有质动力导向中心近似和包络模型进行激光等离子体相互作用的建模。利用这种方法，可以忽略激光的快速振荡过程而将激光作为有质动力源进行求解，可以极大地降低模拟计算量同时保持模拟精度。 高阶粒子插值： 引入高阶粒子插值过程，可以有效地抑制模拟中的数值自加热，对于LWFA和激光-固体靶作用都具有很好的效果。 高阶电磁场FDTD: 引入4阶空间差分电磁场FDTD，有效压低数值色散误差，对高能(>Gev)电子辐射建模更可靠。 专业工程软件和技术开发服务提供商  4 / 6  

3. VORPAL等离子体应用简介 VORPAL软件的典型应用包括： 惯性约束聚变； 磁约束聚变； 激光尾场加速LWFA； 激光与固体靶的相互作用； ICF晕区过程和快点火研究； 加速器模拟(冷却器)； 托卡马克边界层、加热天线； 真空管设计； 高功率微波器件； 微波波导和滤波器的击穿过程； 太赫兹源与器件； 低气压射频放电腔室设计； 光子晶体 半导体等离子体加工工艺； 探针设计和研究； 灭弧中的介质强度恢复； 高压击穿过程和表面闪络； 等离子体表面处理； 等离子体隐身技术； 等离子体推进； 介质阻挡放电； 电子崩和流注 火花放电和微放电 … …

Wakefields by Electron Beam in Tesla Cavity Crab Cavity SPT-100 Hall Thruster Channel Erosion: Plasma Simulations

VORPAL sputter simulation shows detailed expected patterns

Klystron Collectors Taylor Cone Development in RF Breakdown 专业工程软件和技术开发服务提供商 

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C_Mod J Antenna in Vacuum with Facing Plasma Laser pulse hits plasma δf-Particle-in-Cell VORPAL仿真结果作为 针-板高压击穿电场和电子崩 2004年9月Nature杂志封面

Electron density distribution Photonic Crystal Cavities THz Source traveling-wave tube

556GHZ SPFEL THz source