CST粒子束相关求解器汇总
粒子动力学的时间尺度比较大:从纳秒级的高频真空电子设备，微秒级的击穿现象，到毫秒级的准静态电子枪。CST针对不同情况有不同的求解器应对，当然准静态电子枪类我还是极力推崇OPERA的。回归CST的话题，让我们来看下CST的粒子束求解器，这次的文章都是文字，就下面这一张图了，选中粒子工作室模板后可以看到是针对应用产品的，实际上针对这些产品用的无非还是这几个求解器。
Particle Tracking Solver
准静态粒子动力学中使用粒子跟踪PTS求解器。
计算中简化了电磁场和带电粒子之间的复杂相互作用。由静电场和静磁场主导带电粒子的动力学行为。忽略粒子电荷和感应电流对电磁场的影响。带电粒子按照电磁场中电荷的标准运动方程运动。若当具有相同初始条件的粒子在静电场和磁场中发射，运动轨迹一定是相同的。取每个发射源的有限数量的粒子采样来实现轨迹描述粒子动力学。在数值计算细节上，将粒子运动与静态场耦合。从初始位置直到粒子与结构或设置的边界框碰撞用采样粒子描述这些轨迹。
在迭代中，考虑粒子的准静态空间电荷效应对静电场的影响。适用于当带电粒子和电磁场之间存在弱耦合的情况。在每次迭代中计算粒子轨迹和电场。迭代循环在满足收敛条件时停止。
在某些应用中，例如当粒子是相对论性的，束流为强流，就需要考虑自洽的问题了。
Particle-in-Cell Solver（EM-PIC）
EM Particle in Cell(EM-PIC)计算完整的带电粒子动力学问题。主要用于带电粒子束和高频电磁场的相互作用。典型的应用包括高频真空电子器件，例如磁控管振荡器和行波管放大器。瞬态模拟时间范围在纳秒到微秒级。
采用跨越式时间积分法。单一的时间步中，对场和粒子做时间的积分。在第一步，电磁场用积分法;这一步考虑了带电粒子运动引起的电流密度。然后，将更新后的电磁场插值到粒子位置，对每个模拟粒子的运动方程进行时间积分。在模拟时间内不断循环重复这个过程。
Electrostatic Particle-in-Cell Solver（ES-PIC）
粒子动力学发生在很长的时间尺度内。快速粒子问题用PIC求解器，准静态问题可以用粒子追踪法。对于中等时间尺度，慢离子和快电子的相互作用都发挥作用，就需要用到ES-PIC解算器。与EM-PIC解算器（之前提到的PIC求解器）相比，该解算器不受限于在小尺度变化的三维几何中求解电磁波所需的典型的Courant时间步长。在ES-PIC求解器中，时间步长可以更大，由等离子体频率的决定。
为了理解ES-PIC求解器的必要性，首先看一下其余求解器。在EM- PIC中，由于麦克斯韦方程中的所有项都保留在方程中，EM场和粒子动力学是自洽的。适用于粒子和电磁波的相互作用占主导地位的问题。这尤其适用于质量小、高速移动的电子，电子束形成的电流足够影响电磁波的传播。然而，在许多应用中，不是通过粒子产生电流的而是用别的方法替代的，这时粒子对电磁波的传播没有影响。这时电子的主导效应是以空间电荷改变了静电场。此外，与电子和电磁波相比，离子的速度通常较慢。对于这些情况。目前的EM-PIC求解器计算量太大。另一方面粒子跟踪法也不是很适用。这时候需要用到ES-PIC求解器，他囊括了静电效应，如击穿、鞘层形成、空间电荷补偿。
Wakefield Solver
这个在上一篇公众号上有提及，在粒子加速器中，运动粒子束与周围环境的相互作用导致其“尾迹”产生电磁场。例如，几何或材料的不连续性在周围的加速器结构引起尾流场的激发。磁场会对随后的粒子束产生不利影响，甚至使定向粒子束不稳定。尾场解算器可用于这种电磁效应的分析。
简单介绍下2021新加入的一个MCC蒙特卡罗模块：
Monte-Carlo Collisions蒙特卡罗碰撞
蒙特卡罗碰撞(MCC)模块模拟带电粒子和中性背景气体粒子之间的碰撞。这个模型假设背景气体的密度比等离子体密度高得多。因此，气体的热力学状态不会因碰撞而改变。碰撞随机发生，并导致电荷的动量和能量变化。设置为：Solver Setup - Specials-Data Input。
可以定义处于恒定物理状态和热力学平衡的单一背景气体。气体占据了粒子可以运动的完整模拟区域。下图显示Es-PIC的可用选项。这些碰撞包括弹性散射、激发、电子的碰撞电离和离子的弹性散射。使用多线程可以加速MCC的计算。相比下，PIC是考虑电子碰撞离子化模型。
