Particle Tracing Module

Neue Anwendung: „Charge Exchange Cell Simulator“

Eine Ladungsaustauschzelle besteht aus einem Gas-Bereich mit erhöhtem Druck innerhalb einer Vakuumkammer. Wechselwirkt nun ein Ionenstrahl mit diesem Gas erhöhter Dichte, treten innerhalb des Gases Ladungsaustauschreaktionen auf, bei denen energetisch neutrale Teilchen erzeugt werden. Es ist jedoch davon auszugehen, dass nur ein Teil der Ionen den Ladungsaustauschreaktionen unterliegt. Zur Neutralisierung des Strahls wird daher ein Paar von geladenen Ablenkblechen außerhalb der Zelle platziert. Auf diese Weise lässt sich eine energetisch neutrale Quelle herstellen.

Mit der „Charge Exchange Cell Simulator“-Anwendung lässt sich daher die Wechselwirkung zwischen einem Protonenstrahl und einer Ladungsaustauschzelle, die neutrales Argon enthält, simulieren. Dabei lassen sich folgende Parameter festlegen: Der Abmessungen der Gaszelle und Vakuumkammer, die Strahleigenschaften und die Eigenschaften der geladenen Bleche, mit denen die restlichen Ionen abgelenkt werden.

Die Simulations-Anwendung ermöglicht dabei die Berechnung des Wirkungsgrads der Ladungsaustauschzelle, der durch den Anteil der neutralisierten Ionen bestimmt wird. Schließlich können ebenfalls Statistiken über die Typen der aufgetretenen Kollisionen erstellt werden.

Die Anwendung zur Simulation von Ladungsaustauschzellen. Die Anwendung zur Simulation von Ladungsaustauschzellen.

Die Anwendung zur Simulation von Ladungsaustauschzellen.

Neue Anwendung: „Laminar Static Particle Mixer Designer“

In statischen Mischern wird ein Fluid durch ein Rohr gepumpt, dass fest eingebaute Mischelemente enthält. Dieses Mischverfahren eignet sich für Mischvorgänge mit laminarer Strömung, da es in diesem Strömungsbereich nur geringe Druckverluste erzeugt. Wird ein Fluid durch den Kanal gepumpt, wird es durch die Flügel der Mischelemente gemischt. Das statische Mischverfahren ermöglicht eine genaue Steuerung des Maßes der Durchmischung. Die Leistung eines Mischelements hängt jedoch stark von dessen Geometrie ab.

Mit der „Laminar Static Particle Mixer Designer“-Anwendung lässt sich die die Fluidgeschwindigkeit und das Druckfeld in einem statischen Mischer sowie die Trajektorien der Partikel berechnen, die vom Fluid transportiert werden. Da die Partikel eine Masse besitzen, folgen sie den Fluidgeschwindigkeits-Stromlinien nicht exakt, sodass einige Partikel mit den Flügeln des Mischelements zusammenstoßen.

Mit der Beispielanwendung wird die Durchlaufwahrscheinlichkeit eines Partikels im Mischer berechnet. Mit der Anwendung lässt sich ebenfalls der Dispersionsindex bestimmen, der ein Maß für die Gleichmäßigkeit der Partikeldurchmischung darstellt.

Fluidgeschwindigkeitsfeld in einem laminaren statischen Mischer (Pfeile) und Schergeschwindigkeit in einem Querschnitt (Schnittplot). Fluidgeschwindigkeitsfeld in einem laminaren statischen Mischer (Pfeile) und Schergeschwindigkeit in einem Querschnitt (Schnittplot).

Fluidgeschwindigkeitsfeld in einem laminaren statischen Mischer (Pfeile) und Schergeschwindigkeit in einem Querschnitt (Schnittplot).

Partikelbahnen in einem laminaren statischen Mischer. Um die Mischerleistung einfacher darzustellen, wird nur ein Teil der Partikel wiedergegeben. Den Partikeln wird abhängig von ihrer Anfangsposition eine Farbe zugewiesen. Partikelbahnen in einem laminaren statischen Mischer. Um die Mischerleistung einfacher darzustellen, wird nur ein Teil der Partikel wiedergegeben. Den Partikeln wird abhängig von ihrer Anfangsposition eine Farbe zugewiesen.

Partikelbahnen in einem laminaren statischen Mischer. Um die Mischerleistung einfacher darzustellen, wird nur ein Teil der Partikel wiedergegeben. Den Partikeln wird abhängig von ihrer Anfangsposition eine Farbe zugewiesen.

Freigabe von Partikeln an Kanten und Punkten

Die COMSOL Multiphysics Version 5.2 ermöglicht Ihnen, mit den Knoten Freigabe an einer Kante und Freigabe an einem Punkt Partikel von Kanten und Punkten in einer Geometrie freizugeben. Wenn Partikel entlang einer Kante freigegeben werden, können die Ausgangspositionen netzbasiert sein, durch eine benutzerdefinierte Dichtefunktion gewichtet werden oder gleichmäßig entlang der Kante verteilt werden.

Sie können Partikel entlang einer beliebigen Kurve freisetzen, z. B. entlang einer Spirale; siehe Abbildung oben. Sie können Partikel entlang einer beliebigen Kurve freisetzen, z. B. entlang einer Spirale; siehe Abbildung oben.

Sie können Partikel entlang einer beliebigen Kurve freisetzen, z. B. entlang einer Spirale; siehe Abbildung oben.

Verbesserte dichtebasierte Freigabe

Die Funktionalitäten zur dichtebasierten Initialisierung der Partikelpositionen verfügen über neue Optionen, mit denen die Genauigkeit stark erhöht werden kann. Unter den Optionen für die Partikel-Ausgangspositionen bei den bekannten Knoten Einlass und Partikelstrahl sowie dem neuen Knoten Freigabe an einer Kante ist es nun möglich, Werte für die Genauigkeitsordnung der Freigabeverteilung sowie einen Positionsverfeinerungsfaktor festzulegen. Die erhöhte Genauigkeit ist am besten erkennbar, wenn das zugrunde liegende Netz sehr grob ist oder die Partikeldichte für verschiedene Netzelemente stark variiert.

Partikel werden auf einem groben Netz mit einer Gaußschen-Verteilung der Anfangskoordinaten freigesetzt. Wenn der Faktor für Position refinement 10 (rot) anstatt 0 (blau) ist, stimmt die Verteilung der Partikelpositionen besser mit der festgelegten Verteilung überein.

Partikel werden auf einem groben Netz mit einer Gaußschen-Verteilung der Anfangskoordinaten freigesetzt. Wenn der Faktor für Position refinement 10 (rot) anstatt 0 (blau) ist, stimmt die Verteilung der Partikelpositionen besser mit der festgelegten Verteilung überein.

Partikel werden auf einem groben Netz mit einer Gaußschen-Verteilung der Anfangskoordinaten freigesetzt. Wenn der Faktor für Position refinement 10 (rot) anstatt 0 (blau) ist, stimmt die Verteilung der Partikelpositionen besser mit der festgelegten Verteilung überein.

Kollisionen mit Ladungsaustausch

Sie können dem Kollisionen-Knoten nun zwei neue Kollisionstypen hinzufügen: Resonanter Ladungsaustausch und Nicht-resonanter Ladungsaustausch.

Der Knoten Resonanter Ladungsaustausch wird verwendet, wenn bei energiegeladenen Ionen Ladungsaustauschreaktionen mit umgebenden neutralen Atomen des gleichen Elements oder Molekülen des gleichen Stoffs auftreten. Der Knoten Nicht-resonanter Ladungsaustausch wird angewendet, wenn ionisierte und neutrale Teilchen von verschiedenen Elementen oder Substanzen stammen. In beiden Fällen ist es nach der Kollision möglich, die Verfolgung der ionisierten Teilchen, der neutralen Teilchen oder von beiden Teilchenarten fortzusetzen.

In einer Ladungsaustauschzelle breitet sich ein energetischer Protonenstrahl (rot) durch eine Gaszelle (hellgrau) aus, wobei der Druck in der Zelle höher als der Umgebungsdruck gehalten wird. Durch die resultierenden Ladungsaustauschkollisionen werden schnelle, neutrale Wasserstoffionen (blau) und langsame Argonionen (grün) erzeugt. In einer Ladungsaustauschzelle breitet sich ein energetischer Protonenstrahl (rot) durch eine Gaszelle (hellgrau) aus, wobei der Druck in der Zelle höher als der Umgebungsdruck gehalten wird. Durch die resultierenden Ladungsaustauschkollisionen werden schnelle, neutrale Wasserstoffionen (blau) und langsame Argonionen (grün) erzeugt.

In einer Ladungsaustauschzelle breitet sich ein energetischer Protonenstrahl (rot) durch eine Gaszelle (hellgrau) aus, wobei der Druck in der Zelle höher als der Umgebungsdruck gehalten wird. Durch die resultierenden Ladungsaustauschkollisionen werden schnelle, neutrale Wasserstoffionen (blau) und langsame Argonionen (grün) erzeugt.

Verbesserungen bei Partikelstrahlen

Der Partikelstrahl-Knoten verfügt über neue Optionen, die die Festlegung der transversalen Positions- und Geschwindigkeitsverteilungen vereinfachen. Das Aussenden von Strahlen mit Phasenraumellipsen einer bestimmten Größe, Form und Ausrichtung ist nun wesentlich einfacher. Die Gleichungsdarstellung wurde verbessert und um Bilder erweitert, die auf die Funktion der einzelnen Optionen hinweisen.

Sampling Ausrichtung Geschwindigkeitsfestlegung Bild
Gleichförmig Aufrecht Twiss-Parameter
Gleichförmig Nicht aufrecht Twiss-Parameter
Gleichförmig Aufrecht Ellipsenabmessungen
Gleichförmig Nicht aufrecht Ellipsenabmessungen
Gaußsch Aufrecht Twiss-Parameter
Gaußsch Aufrecht Twiss-Parameter
Gaußsch Aufrecht Ellipsenabmessungen
Gaußsch Nicht aufrecht Ellipsenabmessungen

Partikelzähler

Der Knoten Partikelzähler ist eine Gebiets- oder Randbedingung, die Informationen über Partikel liefert, die auf einer bestimmten Auswahl am Gebieten oder Oberflächen eines Freisetzungs-Knoten ankommen. Zu solchen Informationen gehören unter anderem die Anzahl der übertragenden Partikel, die Übertragungswahrscheinlichkeit, der übertragende Strom und der Massendurchsatz. Diese neue Funktionalität in COMSOL Multiphysics Version 5.2 verfügt über nützliche Ergebnisausdrücke, die im Filter-Knoten des Partikeltrajektorien-Plots angewendet werden können. Diese Funktion ermöglicht es, ausschließlich Partikel zu visualisieren, die auch die Auswahl des Partikelzählers erreicht haben.

Der Partikelzähler-Knoten stellt die folgenden Variablen für das Postprocessing zur Verfügung (<tag> bezeichnet einen Platzhalter für den Tag des Partikel-Interfaces, z. B. fpt):

  • <tag>.Nfin
    • Die Anzahl der Partikel, die bis zum Erreichen des Endzeitpunkts vom Freisetzungs-Funktion bis zum Partikelzähler übertragen wurden.
  • <tag>.Nsel
    • Die Anzahl der Partikel, die von der Freisetzungs-Funktion bis zum Partikelzähler übertragen wurden.
  • <tag>.alpha
    • Die Wahrscheinlichkeit für eine Übertragung von der Freisetzungs-Funktion zum Partikelzähler.
  • <tag>.rL
    • Ein logischer Ausdruck für Partikeleinschluss. Diesen Ausdruck können Sie im Knoten Filter des Partikelbahnen-Plots definieren, um die Partikel zu visualisieren, welche die Freisetzungs-Funktion mit dem Zähler verbinden.
  • <tag>.It
    • Der übertragene Strom von der Freisetzungs-Funktion zum Partikelzähler. Diese Variable ist nur im Interface Trajektorien geladener Partikel verfügbar, wenn die Partikelfreisetzungsspezifikation für den Strom auf Strom spezifizieren eingestellt ist.
  • <tag>.mdott
    • Der Durchsatz für die von der Freisetzungs-Funktion zum Partikelzähler übertragenen Partikel. Diese Variable ist nur im Interface Partikeltrajektorien für Fluidstömung verfügbar, wenn die Partikelfreisetzungsspezifikation auf Massenflussrate spezifizieren eingestellt ist.

Wenn zusätzlich zum Partikelzähler-Knoten ein Partikelstrahl-Knoten im Interface Trajektorien geladener Partikel festgelegt wurde, stehen zusätzliche Variablen für die gemittelte Position, Geschwindigkeit und Energie der übertragenden Partikel zur Verfügung.

Partikel-Materie-Wechselwirkungen

Sie können nun die Wechselwirkung zwischen energetischen Ionen und Materie anhand der Funktion Partikel-Materie-Wechselwirkungen modellieren. Diese Funktion verfügt über Optionen für die folgenden Wechselwirkungstypen:

  • Mit „Ionization loss“ (Ionisations-Verlust) wird der kontinuierliche Energieverlust aufgrund der Wechselwirkung der Ionen mit Elektronen im Zielmaterial modelliert.
  • Mit „Nuclear stopping“ (Nucleares Bremsvermögen) wird die Ablenkung von energetischen Ionen durch Zielkerne modelliert.

Mit steigender kinetischer Anfangsenergie der Ionen wird deren Wechselwirkung mit Feststoff vom Ionisierungsverlust anstatt von stochastischen nuklearen Wechselwirkungen dominiert. Als Folge bewegen sich hoch energetische Ionen tendenziell auf fast geraden Bahnen, während sich weniger energetische Ionen auf zufälligen Bahnen bewegen. Mit steigender kinetischer Anfangsenergie der Ionen wird deren Wechselwirkung mit Feststoff vom Ionisierungsverlust anstatt von stochastischen nuklearen Wechselwirkungen dominiert. Als Folge bewegen sich hoch energetische Ionen tendenziell auf fast geraden Bahnen, während sich weniger energetische Ionen auf zufälligen Bahnen bewegen.

Mit steigender kinetischer Anfangsenergie der Ionen wird deren Wechselwirkung mit Feststoff vom Ionisierungsverlust anstatt von stochastischen nuklearen Wechselwirkungen dominiert. Als Folge bewegen sich hoch energetische Ionen tendenziell auf fast geraden Bahnen, während sich weniger energetische Ionen auf zufälligen Bahnen bewegen.

Neue Übung: „Ion Range Benchmark“

Mit dem Modell „Ion Range Benchmark“ können Sie das Passieren von energetischen Protonen durch Silizium modellieren, wobei Sie Ionisationsverluste und die nukleare Streuung berücksichtigen können. Die Anfangsenergie der Protonen wird mit einem parametrischen Sweep von 1 keV bis 100 MeV variiert.

Die durchschnittliche Weglänge von Protonen wird mit veröffentlichten Werten für die Ionenreichweite unter der kontinuierlichen Verlangsamungs-Näherung (CSDA) sowie der projizierten Reichweite in der Anfangsbewegungsrichtung verglichen. Zwischen simulierten und experimentell ermittelten Daten besteht eine gute Übereinstimmung.

Vergleich der berechneten Bahnlänge (rot) mit experimentell ermittelten Messwerten für die Ionenreichweite unter der kontinuierlichen Verlangsamungs-Näherung (CSDA) und der projizierten Reichweite. Vergleich der berechneten Bahnlänge (rot) mit experimentell ermittelten Messwerten für die Ionenreichweite unter der kontinuierlichen Verlangsamungs-Näherung (CSDA) und der projizierten Reichweite.

Vergleich der berechneten Bahnlänge (rot) mit experimentell ermittelten Messwerten für die Ionenreichweite unter der kontinuierlichen Verlangsamungs-Näherung (CSDA) und der projizierten Reichweite.

Neue Übung: „Sensitive High-Resolution Ion Microprobe (SHRIMP)“

Mit der SHRIMP-Mikrosonde („Sensitive High-Resolution Ion Microprobe“) werden Ionen mit einer bestimmten Anfangsenergie und einem festgelegten Ladungs-Masse-Verhältnis übertragen. Die Übertragung erfolgt, indem ein einfallender Strahl adäquat abgestimmten elektrischen und magnetischen Kräften ausgesetzt wird. Der Strahl wird zuerst mit einer radialen elektrischen Kraft durch einen gekrümmten Sektor übertragen, dann mit einer gleichmäßigen magnetischen Flussdichte durch einen zweiten gekrümmten Sektor.

Bei diesem Übungsmodell wird mit der Funktion Partikelstrahl der COMSOL Multiphysics®-Software die Leistung eines hochgenauen Spektrometers ermittelt, bei dem nur ein Teil des einfallenden Strahls zum Detektor übertragen wird. Mit dem Modell wird die Übertragungswahrscheinlichkeit berechnet und die nominale Trajektorie des übertragenden Strahls visualisiert.

Ein Ionenstrahl in der SHRIMP-Mikrosonde wird einem radialen elektrischen Feld (rot) ausgesetzt, dem eine gleichmäßige magnetische Flussdichte folgt. Die Farbe des Strahls ist ein Maß für den Betrag der Partikelgeschwindigkeit. Ein Ionenstrahl in der SHRIMP-Mikrosonde wird einem radialen elektrischen Feld (rot) ausgesetzt, dem eine gleichmäßige magnetische Flussdichte folgt. Die Farbe des Strahls ist ein Maß für den Betrag der Partikelgeschwindigkeit.

Ein Ionenstrahl in der SHRIMP-Mikrosonde wird einem radialen elektrischen Feld (rot) ausgesetzt, dem eine gleichmäßige magnetische Flussdichte folgt. Die Farbe des Strahls ist ein Maß für den Betrag der Partikelgeschwindigkeit.