Trak Charged Particle Tool 软件：交互式运行设置

Trak 脚本的结构

 

每次 Trak 运行都需要一个控制脚本 FPREFIX.TIN。本章讨论如何使用 Trak 主菜单中 SetUp 选项调出的交互式对话框来创建脚本。后续章节将提供有关使用文本编辑器构建脚本和添加功能的详细信息。

无论使用哪种方法，了解脚本格式都是有益的。脚本包含三个部分：Fields（场）、Particles（粒子）和 Diagnostics（诊断）。

 

文件结构如下：

Fields

  (场命令)

End

Particles RunMode

  (粒子命令)

End

Diagnostics

  (诊断命令)

End

EndFile

 

各部分必须按所示顺序出现，并以 End 选项结束。每个部分都有一组允许的选项，在部分内有效选项可按任意顺序出现。Trak 在读取完所有选项后开始处理该部分。EndFile 选项关闭所有文件并停止程序。

Fields 部分的选项控制从 EStat 和/或 PerMag 输入场求解文件。高级选项可用于调整场值、引入时间变化、添加恒定磁场分量以及调整单个电极的电势。

 

Particles 部分控制轨迹计算，部分标题中的字符串参数指定追踪模式：Field、Track、SCharge、RelBeam、FEmit 或 Plasma。Particles 部分的有效选项取决于追踪模式——若发现无效选项，程序将停止并显示错误信息。Particles 部分的选项具有三项功能：

• 控制轨迹计算（全局边界、网格搜索选项、时间步长、列表选项等）

• 启动粒子轨迹（粒子参数、标记发射面等）

• 定义停止准则

 

Trak 读取 Particles 部分的所有选项，处理信息，然后计算轨迹。根据追踪模式的不同，程序还可能更新电势并在多个循环中重新计算轨迹。

Diagnostics 部分的命令控制有关场和计算轨迹的特殊输出列表。Trak 可记录外加磁场、自洽电场和束致磁场的扫描。程序可生成初始和结果粒子参数的格式化列表和输出文件。Trak 可对结果束流分布进行自动分析。若运行生成输出粒子文件，也可使用 GenDist 进行分布计算。

 

Track 模式

 

Trak 提供交互式对话框帮助用户创建基本运行控制脚本。点击 SetUp 菜单选项或工具，在初始对话框中选择适当的追踪模式。若选择默认的 Track 模式，程序将调出图1所示对话框。注意对话框条目分为与 Trak 脚本相同的三类：Fields、Particles 和 Diagnostics。不同对话框组中的条目在相应的脚本部分中创建命令，本章简要描述对话框条目的作用。

• EFILENAME：提供 EStat 求解文件的完整名称，用于为粒子追踪提供电场信息。

• BFILENAME：提供 PerMag 求解文件的完整名称，用于为粒子追踪提供磁场信息。

• DUNIT：Trak 脚本选项中出现的长度的换算系数，等于每米的距离单位数。例如，若尺寸以微米为单位，则设置 DUnit = 1.0×10⁶。

• DT：提供轨迹积分的时间步长（单位秒）。若框内为空或为 0.0，Trak 将根据网格属性、电解和粒子参数尝试选择合适的值。

• PPREFIX IN：提供包含粒子起始参数列表的文件 PPREFIX.PRT 的前缀。

 

发射面组中包含四个命令。发射面是启动粒子轨迹的另一种方式。Trak 识别固定电势区域（电极）的单元面片，并在相邻电介质单元中靠近表面的位置为每个面片启动一个或多个粒子。

• REGNO：输入在固定电势区域表面上定义的发射线区域编号。若区域编号为0且 PPrefix In 字段为空，Trak 会向脚本添加一个虚拟的 PList 命令。

• MASS：提供在发射面上创建的粒子质量，以 AMU（原子质量单位）为单位。若框中为 0.0，Trak 插入电子质量。

• CHARGE：提供在发射面上创建的粒子电荷，以基本电荷为单位。质子的 Charge = +1.0，电子的 Charge = -1.0。

• NPERSEG：输入每个发射面面片启动的轨迹数。

• PPREFIX OUT：若希望 Trak 写入最终轨迹参数文件 PPREFIX.PRT，请提供名称。该文件可用作后续 Trak 运行的输入，或移植到 Field Precision 程序 GenDist、OmniTrak 和 GamBet 中。

 

场线模式

 

若选择 FLine 模式，Trak 显示图8所示对话框。场线追踪仅适用于电场，因为磁场线图可在 PerMag 中轻松创建，因此 Fields 部分中没有 BFileName 条目。

• FFILE PREFIX：提供包含场线起始参数列表的文件 PREFIX.FLD 的前缀。

• DS：场线积分以空间小步长而非时间步长进行。以 DUnit 指定的单位输入值。若字段为空或为 0.0，Trak 将选择默认值。

发射面组中的条目与 Track 模式对话框类似，主要区别在于没有粒子参数，并增加了以下条目：

• POLARITY：选择 Positive 时，空间积分沿正电场方向进行。

 

空间电荷与相对论束流模式

 

当选择 SCharge 或 RelBeam 模式时，显示图9所示对话框。与 Track 模式对话框相比，Fields 组中增加了两个条目。

 

• MAXCYCLE：粒子轨迹计算和电场重新计算经过 NCycle 个场/粒子循环，以包含束流空间电荷效应。参数 MaxCycle 是静电势矩阵求解中的最大迭代次数。较高的值可提高精度但运行时间更长。MaxCycle 的值应足够高以确保运行结束时收敛。满足以下条件时求解收敛：

  • 发射面电流在场/粒子循环之间变化很小。

  • 进入最终粒子/场循环时，初始相对残差（静电势平均误差）值较低（≪ 1.0×10⁻⁶）。

• RESTARGET：设置静电势矩阵求解中的目标相对残差值。该量是求解精度的度量，应远小于1。若迭代次数超过 MaxCycle 或残差小于目标值，Trak 退出场重新计算程序。MaxCycle 和 ResTarget 的选择影响求解精度与运行时间之间的平衡。

 

Particles 部分发射面组增加以下参数：

 

• DEMIT：物理源表面（如阴极表面）与模拟 Child 定律发射所需的虚拟发射面之间的距离。以当前 DUnit 值设定的单位输入。虚拟面应靠近源表面并遵循其大致轮廓。另一方面，DEmit 必须 ≥ 1.5 倍局部单元宽度，以确保电场计算的准确性。

• EPREFIX OUT：将包含空间电荷效应的静电求解结果记录到文件 EPREFIX.EOU 中。该文件可在 EStat 中查看，或加载到 Trak 中进行后续求解。

 

场致发射模式

 

图4显示生成 FEmit 模式脚本的对话框。条目与 SCharge/RelBeam 对话框相同，但发射面组中的条目有所差异。由于该模式仅处理电子场致发射，因此不包含 Mass 和 Charge 选项。

• WORKFUNC：以 eV 为单位输入发射面的功函数。

 

• BETA：参数 β 表示发射面亚微观结构（如覆盖碳纳米管的区域）导致的场增强系数。Trak 计算局部场幅值 |E|，并在 Fowler-Nordheim 方程中使用 β|E| 计算局部电子电流密度。

 

Plasma 模式

 

Plasma 模式中的优化计算较为复杂，可能需要调整参数以获得良好结果。许多条目与 SCharge 和 RelBeam 模式中的功能相同。

Plasma 组包含以下条目：

• NSURFACE：表面调整的循环次数，默认 NSurface = 3。

• NCORRECT：每次表面调整中确定空间电荷受限流稳定解的轨迹-场重新计算次数（默认 NCorrect = 5）。

• NINIT：初次表面调整前的初始轨迹-场计算次数（默认 NInit = 12）。

发射面组包含一个附加参数：

• DGAP：加速间隙的大致总宽度，以当前 DUnit 值设定的单位输入。

 

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