粒子追跡モジュール
新しいアプリ: Charge Exchange Cell Simulator
電荷交換セルは, 真空室内で圧力が上昇した気体の領域で構成されています. イオンビームが高密度の気体と相互作用すると, そのイオンは気体と電荷交換反応を起こし, エネルギー的に中性な粒子が生まれます. 一般には, 電荷交換反応を起こすのはわずかなビームイオンです. そこで, ビームを中性化するため, 荷電した偏光板のペアをセル外部に配置します. このようにして, エネルギー中性源を作成できます.
Charge Exchange Cell Simulator アプリケーションは, 陽子ビームと, 中性アルゴンを収容した電荷交換セルとの相互作用をシミュレートします. ユーザー入力には, 気体セルと真空室, ビーム特性, 残留イオンを偏向させる荷電プレートの特性用にいくつかの幾何学的パラメーターがあります.
本シミュレーションアプリケーションは, 中性化されたわずかなイオンとして測定された電荷交換セルの効率を計算し, 発生した各種の衝突に関する統計を記録します.
Charge Exchange Cell Simulator アプリケーションのユーザーインタフェース.
新しいアプリ: Laminar Static Particle Mixer Designer
静止ミキサーでは, 固定混合ブレード付きのパイプから流体を汲み上げます. この混合技法は, 主に, 層流混合に適していますが, これはこの流動の枠組みで生じる圧力損失が小さいためです. 水路から流体を汲み上げるとき, 交互に配置された断面形状のブレード方向により, 流体は水路の長さ方向を通過するときに混合されます. この静的混合技法により, プロセス全体で実施される混合量を正確に制御できます. ただし, ミキサーの性能は, そのジオメトリによって大幅に変動します.
Laminar Static Particle Mixer Designer アプリケーションは, 静的ミキサーの流体速度と圧力場の他, 流体によって運ばれる粒子の軌道を計算します. 粒子には質量があるため, 流体速度の流線を厳密にたどることはありません. そのため, 一部の粒子は混合ブレードに衝突します.
サンプルアプリケーションでは, ミキサー内の粒子の通過確率を計算します. また, このアプリケーションでは, 分散指数も計算します. これは, 各種の粒子を一緒に混合したときの均一性の計測値です.
静的層流ミキサーの流体速度場 (矢印) と断面のせん断率 (スライスプロット).
静的層流ミキサーの粒子の軌道. 簡単にミキサー性能を視覚化するため, わずかな粒子をレンダリングし, その初期位置に応じて色分けしました.
エッジとポイントから放出
COMSOL Multiphysics バージョン 5.2 では, Release from Edge (エッジから放出) ノードと Release from Poin (点から放出)t ノードにより, それぞれ粒子をジオメトリのエッジとポイントから放出できます. エッジから粒子を放出するとき, その粒子の位置はメッシュを基準に決めるか, ユーザー定義の密度関数で重みを付けるか, あるいはエッジの長さに沿って均等に分布させることができます.
上の図の螺旋など, 任意の曲線に沿って粒子を放出することもできます.
密度方式の放出の強化
密度関数に従って粒子の位置を初期化する放射機能には, 処理の精度を上げる新しい設定が加わりました. 新しいバージョンでは, Release, Inlet (放出, 入口) ノードと Particle Beam (粒子ビーム) ノードの他, Release from Edge (エッジから放出) ノードの設定で Release distribution accuracy order (放出分布精度順序) と Position refinement factor (位置精緻化係数) を指定できるようになりました. 精度の強化は, 基本メッシュがかなり粗い場合や, 粒子密度が異なるメッシュ要素間で大きく異なる場合に明らかです.
粒子は初期座標のガウス分布の粗いメッシュで放出されます. 粒子位置の分布は, Position refinement (位置精緻化係数) 係数が 10 (赤) のとき, 0 (青) のときよりも指定分布と正確に一致します.
粒子は初期座標のガウス分布の粗いメッシュで放出されます. 粒子位置の分布は, Position refinement (位置精緻化係数) 係数が 10 (赤) のとき, 0 (青) のときよりも指定分布と正確に一致します.
電荷交換衝突
Collisions (衝突) ノードには新しい衝突タイプ Resonant Charge Exchange (共振荷電交換) と Nonresonant Charge Exchange (非共振荷電交換) を追加できるようになりました.
Resonant Charge Exchange (共振荷電交換) ノードは, エネルギーイオンが同じ物質の同じ要素または分子の周囲中性原子と荷電交換反応を起こすときに使用します. Nonresonant Charge Exchange (非共振荷電交換) 機能は, イオン化種と中性種が異なる要素または物質の場合に使用します. いずれの場合も, 衝突後, イオン化種, 中性種, あるいはその両方を引き続き追跡できます.
荷電交換セルでは, エネルギー陽子ビーム (赤) は, 周囲より高圧に維持された気体セル (ライトグレー) を伝わります. その結果, 荷電交換衝突によって高速の中性水素 (青) と低速で移動するアルゴンイオン (緑) が発生します.
Particle Beam (粒子ビーム) の強化
Particle Beam (粒子ビーム) 機能では, 横位と速度分布を簡単に指定できるよう新しいオプションを追加しました. そのため, 一定サイズ, 形状, 向きの位相空間楕円でビームをはるかに簡単に放出できるようになりました. 式の表示方法も改善され, 各種オプションの働きをわかりやすく示す画像が増えました.
| サンプリング | 方向 | 速度仕様 | 画像 |
|---|---|---|---|
| 均一 | 縦型 | Twiss パラメーター |  |
| 均一 | 非縦型 | Twiss パラメーター |  |
| 均一 | 縦型 | 楕円の寸法 |  |
| 均一 | 非縦型 | 楕円の寸法 |  |
| ガウス | 縦型 | Twiss パラメーター |  |
| ガウス | 縦型 | Twiss パラメーター |  |
| ガウス | 縦型 | 楕円の寸法 |  |
| ガウス | 非縦型 | 楕円の寸法 |  |
粒子計数機
Particle Counter (粒子計数機) 機能は, 領域機能または境界機能であり, 選択した領域またはサーフェスのセットに放出機能から到着する粒子に関する情報が得られます. それらの数量には, 通過粒子数, 通過確率, 通過電流, 質量流量などがあります. この機能は, COMSOL Multiphysics バージョン 5.2 の新機能であり, Particle Trajectories (粒子軌道) プロットの Filters (フィルター) ノードで使用できる便利な結果式が得られ, 選択した粒子計数機に到達した粒子のみを視覚化できます.
以下の変数は, Particle Counter (粒子計数機) 機能の機能タグ <tag> で指定します.
<tag>.Nfin * 放射機能から粒子計数機まで通過した最終時刻の粒子数. *<tag>.Nsel * 放射機能から粒子計数機まで通過した粒子数. *<tag>.alpha * 放射機能から粒子計数機までの通過確率. *<tag>.rL * 粒子組み込みの論理式. この変数は, 発射機能と計数機を接続する粒子を視覚化するときに, Particle Trajectories (粒子軌道) プロットの Filter (フィルター) ノードで設定できます. *<tag>.It * 放射機能から粒子計数機まで通過した電流. この変数は, 粒子放射仕様が Specify current (電流を指定) に設定されているとき, Charged Particle Tracing インタフェースでのみ使用できます. *<tag>.mdott * 放射機能から粒子計数機まで通過した質量流. この変数は, 粒子放射仕様が Specify mass flow rate (質量流量を指定) に設定されているとき, Particle Tracing for Fluid Flow インタフェースでのみ使用できます.
+Particle Counter (粒子計数機) 機能が Charged Particle Tracing インタフェースの Particle Beam (粒子ビーム) 機能の場合, 平均位置, 速度, 通過した粒子のエネルギーを使用できます.
粒子状物質の相互作用
エネルギーイオンの固体物質との相互作用は, 専用の Particle-Matter Interactions (粒子状物質の相互作用) 機能でモデル化できるようになりました. この機能は, さまざまな相互作用に対応する 2 つのサブ機能をサポートしています.
- Ionization loss (電離損失) は, イオンがターゲット材の電子と相互作用するときの連続的なエネルギー損失をモデル化するときに使用します. * Nuclear stopping (核阻止) は, ターゲット核ごとのエネルギーイオンの偏差をモデル化するときに使用します.
イオンの初期運動エネルギーが増加すると, 固体物質との相互作用は, 確率的核相互作用に代わって電離損失が優先します. その結果, 活動的なイオンは, ほぼまっすぐな進路をたどり, 非活動的なイオンは不規則な経路をたどります.
新しいチュートリアル: Ion Range Benchmark (イオン範囲ベンチマーク)
Ion Range Benchmark (イオン範囲ベンチマーク) モデルは, 電離損失と核散乱の両方でシリコンを通るエネルギー陽子の経路をシミュレートします. 陽子の初期エネルギーを, 1 keV から 100 MeV までのパラメータースイープで変化させます.
陽子の平均経路長を, 動作の初期方向における予想範囲とともに, 連続減速近似 (CSDA) でイオン範囲の公表値と比較します. シミュレートしたデータと実験データが良好に合致します.
計算上の経路長 (赤) と, 連続減速近似値 (CSDA) と予想範囲のイオン範囲の実験測定値との比較
新しいチュートリアル: Sensitive High-Resolution Ion Microprobe (SHRIMP, 高感度高分解能イオンマイクロプローブ)
Sensitive High-Resolution Ion Microprobe (SHRIMP, 高感度高分解能イオンマイクロプローブ) は, 適切に調整した電気力と磁力を入射ビームをかけて, 所定の初期エネルギーと指定した電荷質量比のイオンを伝送します. ビームは, 最初, 径方向に電気力がかかった曲線セクターを通り, 次に均一の磁束密度の第 2 の曲線セクターを通ります.
このチュートリアルモデルでは, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアの Particle Beam (粒子ビーム) 機能で, 検出器に届くわずかな入射ビームで高精度分光計の性能を調べます. このモデルは, 通過確率を計算し, 通過ビームの標準ビームを視覚化します.
SHRIMP のイオンビームは, 径方向電場 (赤) を通り, 次に均一磁束密度 (青) を通ります. ビームの色は粒子速度ノルムを表します.
