Particle Tracing Module

Novo Aplicativo: Charge Exchange Cell Simulator

Uma célula de troca de carga consiste em uma região de gás a uma pressão elevada dentro de uma câmara de vácuo. Quando um feixe iônico interage com o gás de maior densidade, os íons sofrem reações de troca de carga com o gás, criando partículas energeticamente neutras. É provável que apenas uma fração dos íons do feixe sofram reações de troca de carga. Portanto, para neutralizar o feixe, um par de placas defletoras carregadas fica posicionado do lado de fora da célula. Dessa maneira, uma fonte energeticamente neutra pode ser produzida.

O aplicativo Charge Exchange Cell Simulator simula a interação de um feixe de prótons com uma célula de troca de carga contendo argônio neutro. A entrada do usuário inclui diversos parâmetros geométricos para a célula de gás e a câmara de vácuo, propriedades do feixe e propriedades das placas carregadas que são usadas para defletir os íons remanescentes.

O aplicativo de simulação calcula a eficiência da célula de troca de carga, medida como a fração de íons que é neutralizada e registra estatísticas dos diferentes tipos de colisões que ocorrem.

Interface do usuário do aplicativo Charge Exchange Cell Simulator. Interface do usuário do aplicativo Charge Exchange Cell Simulator.

Interface do usuário do aplicativo Charge Exchange Cell Simulator.

Novo Aplicativo: Laminar Static Particle Mixer Designer

Em misturadores estáticos, um fluido é bombeado através de um duto contendo pás misturadoras estacionárias. Essa técnica de mistura é adequada para a mistura por escoamento laminar, porque gera somente pequenas perdas de carga nesse regime de escoamento. Quando um fluido é bombeado através do canal, as direções alternadas das pás em seção transversal misturam o fluido à medida que ele passa pela extensão do canal. A técnica de mistura estática permite um controle preciso sobre a quantidade de mistura que ocorre durante todo o processo. Contudo, o desempenho do misturador pode ter grandes variações, dependendo de sua geometria.

O aplicativo Laminar Static Particle Mixer Designer calcula a velocidade do fluido e o campo de pressão em um misturador estático, além das trajetórias de partículas que são carregadas pelo fluido. Como as partículas têm massa, elas não seguem exatamente o traçado aerodinâmico da velocidade do fluido, fazendo com que algumas partículas atinjam as pás misturadoras.

O aplicativo de exemplo calcula a probabilidade de transmissão de partículas no misturador. Ele também avalia o índice de dispersão, que é uma medida da uniformidade com a qual diferentes espécies de partículas são misturadas juntas.

Campo de velocidade de fluido no misturador estático laminar (setas) e taxa de cisalhamento em uma seção transversal (representação em corte). Campo de velocidade de fluido no misturador estático laminar (setas) e taxa de cisalhamento em uma seção transversal (representação em corte).

Campo de velocidade de fluido no misturador estático laminar (setas) e taxa de cisalhamento em uma seção transversal (representação em corte).

Trajetórias de partículas no misturador estático laminar. Para visualizar o desempenho do misturador mais facilmente, apenas uma fração das partículas é renderizada, e elas são coloridas de acordo com suas posições iniciais. Trajetórias de partículas no misturador estático laminar. Para visualizar o desempenho do misturador mais facilmente, apenas uma fração das partículas é renderizada, e elas são coloridas de acordo com suas posições iniciais.

Trajetórias de partículas no misturador estático laminar. Para visualizar o desempenho do misturador mais facilmente, apenas uma fração das partículas é renderizada, e elas são coloridas de acordo com suas posições iniciais.

Lançamento a partir de Edges e Points

Com o COMSOL Multiphysics versão 5.2, os nós Release from Edge e Release from Point podem ser usados para liberar partículas de bordas e pontos em uma geometria, respectivamente. Ao liberar partículas ao longo de uma borda, as posições das partículas podem ser baseadas em uma malha, ponderadas por uma função de densidade definida pelo usuário ou distribuídas uniformemente ao longo da extensão da borda.

É possível liberar partículas ao longo de uma curva arbitrária, como a hélice mostrada acima. É possível liberar partículas ao longo de uma curva arbitrária, como a hélice mostrada acima.

É possível liberar partículas ao longo de uma curva arbitrária, como a hélice mostrada acima.

Aprimorado Lançamento Baseado em Densidade

Os recursos de liberação que inicializam o posicionamento de partículas de acordo com uma função de densidade têm novas configurações que os tornam muito mais precisos. Agora, é possível especificar uma ordem de precisão de distribuição na liberação (Release distribution accuracy order) e um fator de refinamento de posição (Position refinement factor) nas configurações dos nós Release, Inlet e Particle Beam, além do novo nó Release from Edge. A melhoria em precisão é mais perceptível quando a malha subjacente é muito grossa ou quando a densidade da partícula varia significativamente entre diferentes elementos de malha.

Partículas são liberadas em uma malha grosseira com distribuição gaussiana de coordenadas iniciais. A distribuição de posições de partículas corresponde de forma mais próxima à distribuição especificada quando o fator Position refinement é 10 (vermelho) do que quando ele é 0 (azul).

Partículas são liberadas em uma malha grosseira com distribuição gaussiana de coordenadas iniciais. A distribuição de posições de partículas corresponde de forma mais próxima à distribuição especificada quando o fator Position refinement é 10 (vermelho) do que quando ele é 0 (azul).

Partículas são liberadas em uma malha grosseira com distribuição gaussiana de coordenadas iniciais. A distribuição de posições de partículas corresponde de forma mais próxima à distribuição especificada quando o fator Position refinement é 10 (vermelho) do que quando ele é 0 (azul).

Colisões com Troca de Carga

Agora, você pode adicionar dois novos tipos de colisão ao nó Collisions: Resonant Charge Exchange e Nonresonant Charge Exchange

O nó Resonant Charge Exchange é usado quando íons energéticos sofrem reações de troca de carga com átomos neutros do ambiente do mesmo elemento ou moléculas da mesma substância. O recurso Nonresonant Charge Exchange é usado quando as espécies ionizadas e neutras são de diferentes elementos ou substâncias. Em ambos os casos, após a colisão, é possível continuar rastreando as espécies ionizadas, espécies neutras ou ambas.

Em uma célula de troca de carga, um facho de prótons energéticos (vermelho) se propaga através de uma célula de gás (cinza-claro) que é mantida a uma pressão mais alta que seu ambiente. As colisões de troca de carga resultantes criam hidrogênio neutro rápido (azul) e íons de argônio lentos (verde). Em uma célula de troca de carga, um facho de prótons energéticos (vermelho) se propaga através de uma célula de gás (cinza-claro) que é mantida a uma pressão mais alta que seu ambiente. As colisões de troca de carga resultantes criam hidrogênio neutro rápido (azul) e íons de argônio lentos (verde).

Em uma célula de troca de carga, um facho de prótons energéticos (vermelho) se propaga através de uma célula de gás (cinza-claro) que é mantida a uma pressão mais alta que seu ambiente. As colisões de troca de carga resultantes criam hidrogênio neutro rápido (azul) e íons de argônio lentos (verde).

Aprimoramentos do Particle Beam

Novas opções estão disponíveis no recurso Particle Beam para facilitar a especificação da posição transversa e das distribuições de velocidade. Isso facilita muito a liberação de feixes com elipses de espaço de fase de determinados tamanhos, formatos e orientações. A exibição da equação foi aprimorada e incrementada com imagens para fornecer uma indicação melhor do que as diversas opções fazem.

Amostragem Orientação Especificação de velocidade Imagem
Uniforme Vertical Parâmetros de Twiss
Uniforme Não vertical Parâmetros de Twiss
Uniforme Vertical Dimensões da elipse
Uniforme Não vertical Dimensões da elipse
Gaussiano Vertical Parâmetros de Twiss
Gaussiano Vertical Parâmetros de Twiss
Gaussiano Vertical Dimensões da elipse
Gaussiano Não vertical Dimensões da elipse

Particle Counters

Um recurso Particle Counter é um recurso de domínio ou contorno que fornece informações sobre partículas que chegam a um conjunto de domínios ou superfícies selecionadas a partir de um recurso de liberação. Essas quantidades incluem o número de partículas transmitidas, probabilidade de transmissão, corrente transmitida, taxa de fluxo de massa e mais. Esse recurso, uma novidade do COMSOL Multiphysics versão 5.2, fornece expressões de resultados convenientes que podem ser usadas no nó Filters do plote de Particle Trajectories, que permite que apenas as partículas que chegam à seleção do contador de partículas sejam visualizadas.

As seguintes variáveis são fornecidas pelo recurso Particle Counter, com a etiqueta de recurso <tag>:

  • <tag>.Nfin
    • O número de partículas transmitidas a partir do recurso de liberação para o contador de partículas no tempo final.
  • <tag>.Nsel
    • O número de partículas transmitidas a partir do recurso de liberação para o contador de partículas.
  • <tag>.alpha
    • A probabilidade de transmissão a partir do recurso de liberação para o contador de partículas.
  • <tag>.rL
    • A expressão lógica para inclusão de partículas. Isso pode ser definido no nó Filter do plote Particle Trajectories para visualizar as partículas que conectam o recurso de liberação ao contador.
  • <tag>.It
    • A corrente transmitida a partir do recurso de liberação para o contador de partículas. Essa variável está disponível para a interface Charged Particle Tracing apenas quando a especificação de liberação de partículas está configurada como Specify corrente.
  • <tag>.mdott
    • O fluxo de massa transmitido a partir do recurso de liberação para o contador de partículas. Essa variável está disponível para a interface Particle Tracing for Fluid Flow apenas quando a especificação de liberação de partículas está configurada como Specify mass flow rate.

Se o recurso Particle Counters for um recurso de Particle Beam na interface Charged Particle Tracing, variáveis adicionais para a posição média, velocidade e energia das partículas transmitidas estão disponíveis .

Interações Partícula-Matéria

Agora, você pode modelar a interação de íons energéticos com matéria sólida usando o recurso dedicado Particle-Matter Interactions. Esse recurso suporta dois sub-recursos para diferentes tipos de interações:

  • Ionization loss é usado para modelar a perda contínua de energia à medida que íons interagem com elétrons no material alvo.
  • Nuclear stopping é usado para modelar a deflexão de íons energéticos pelos núcleos alvos.

À medida que a energia cinética inicial dos íons é aumentada, sua interação com o material sólido se torna dominada pela perda de ionização, em vez de interações nucleares estocásticas. Em decorrência disso, íons altamente energéticos tendem a seguir caminhos quase certos, ao passos que íons menos energéticos seguem caminhos mais aleatórios. À medida que a energia cinética inicial dos íons é aumentada, sua interação com o material sólido se torna dominada pela perda de ionização, em vez de interações nucleares estocásticas. Em decorrência disso, íons altamente energéticos tendem a seguir caminhos quase certos, ao passos que íons menos energéticos seguem caminhos mais aleatórios.

À medida que a energia cinética inicial dos íons é aumentada, sua interação com o material sólido se torna dominada pela perda de ionização, em vez de interações nucleares estocásticas. Em decorrência disso, íons altamente energéticos tendem a seguir caminhos quase certos, ao passos que íons menos energéticos seguem caminhos mais aleatórios.

Novo Tutorial: Ion Range Benchmark

O modelo Ion Range Benchmark simula a passagem de prótons energéticos através do silício tanto com perdas de ionização quanto dispersão nuclear. A energia inicial dos prótons é variada usando-se uma varredura paramétrica de 1 keV de 100 MeV.

A extensão de caminho médio dos prótons é comparada com valores publicados da faixa iônica sob a aproximação desacelerante contínua (CSDA), além da faixa projetada na direção inicial do movimento. Dados simulados e experimentais têm boa correspondência.

Comparação da extensão do caminho computado (vermelho) com medições experimentais da faixa de íon sob aproximação desacelerante contínua (CSDA) e a faixa projetada. Comparação da extensão do caminho computado (vermelho) com medições experimentais da faixa de íon sob aproximação desacelerante contínua (CSDA) e a faixa projetada.

Comparação da extensão do caminho computado (vermelho) com medições experimentais da faixa de íon sob aproximação desacelerante contínua (CSDA) e a faixa projetada.

Novo Tutorial: Sensitive High-Resolution Ion Microprobe (SHRIMP)

O Sensitive High-Resolution Ion Microprobe (SHRIMP) é usado para transmitir íons de uma determinada energia inicial e proporção especificada de carga para massa submetendo um feixe de entrada a forças elétricas e magnéticas devidamente ajustadas. Primeiro, o feixe é enviado através de um setor curvo com força elétrica radial; depois, através de um segundo setor curvo com uma densidade de fluxo magnético uniforme.

Esse modelo de tutorial utiliza o recurso de Particle Beam do software COMSOL Multiphysics® para examinar o desempenho do espectrômetro de alta precisão, onde apenas uma fração do feixe que entra é transmitida ao detector. O modelo calcula a probabilidade de transmissão e visualiza a trajetória nominal do feixe transmitido.

Um feixe iônico no SHRIMP é submetido a um campo elétrico radial (vermelho) seguido por uma densidade de fluxo magnético uniforme (azul). A cor do feixe representa a norma de velocidade das partículas. Um feixe iônico no SHRIMP é submetido a um campo elétrico radial (vermelho) seguido por uma densidade de fluxo magnético uniforme (azul). A cor do feixe representa a norma de velocidade das partículas.

Um feixe iônico no SHRIMP é submetido a um campo elétrico radial (vermelho) seguido por uma densidade de fluxo magnético uniforme (azul). A cor do feixe representa a norma de velocidade das partículas.