面向复杂求解域的高效粒子网格/蒙特卡洛模型与阳极层离子源仿真

作者：崔岁寒; 左伟; 黄健; 李熙腾; 陈秋皓; 郭宇翔; 杨超; 吴忠灿; 马正永; 傅劲裕; 田修波; 朱剑豪; 吴忠振

来源：Acta Physica Sinica, 2023, 1-32.

• 等离子体仿真
• 阳极层离子源
• 放电结构
• 等离子体特性

等离子体仿真是研究等离子体放电特性的重要手段，特别是阳极层离子源，其放电结构的几何特性对等离子体特性的作用，很难通过实验手段进行系统研究。然而，传统仿真模型一般是针对离子源进行整体建模，离子源的阴阳极几何轮廓形成的复杂求解域，导致模型的计算效率和收敛性较差。鉴于此，本文将离子源结构仿真与等离子体仿真分离，首先利用磁镜原理将离子源内外阴极大小、形状和相对位置等一系列阴极几何参数简化为磁镜比R_(m)和磁镜中心磁感应强度B_(0)两个磁镜参数，并在此基础上，建立了高效粒子网格/蒙特卡洛模型，将收敛时间由1 μs缩短到0.45 μs，大幅提升了计算效率和稳定性。进一步利用该模型系统研究了阳极层离子源放电结构的几何特性对等离子体特性的影响规律，发现R_(m)=2.50，B_(0)=36 mT时磁镜对等离子体约束效果最佳，当放电中心的位置与内外阴极间磁镜中心重合时，不仅能够输出高密度离子束流，同时可大幅减少阴极刻蚀，并保证内外阴极的刻蚀平衡。

• 单位
  材料学院; 北京大学深圳研究生院