第 1 章 - 简介¶

欢迎¶

欢迎使用 CST Studio Suite 粒子动力学仿真模块。这是一款功能强大且易于使用的电磁场与带电粒子动力学仿真软件。该程序将友好的用户界面与高性能仿真能力结合在一起。

请先参阅《CST Studio Suite 入门指南》。以下说明假定您已经安装了软件，并熟悉用户界面的基本概念。

如何快速开始¶

我们建议您按以下步骤进行：

阅读《CST Studio Suite - 入门指南》。
仔细学习本文档。本文档提供了理解高级文档所需的全部基础信息。
查看组件库中提供的示例（File: Component Library > Examples）。尤其是标记为 Tutorial 的示例，会提供某一特定仿真流程的详细信息。按下各个组件的 Help 按钮可进入该组件的帮助页面。请注意，所有这些示例都旨在帮助您初步了解某一特定应用领域。实际工程应用通常复杂得多；如果不熟悉基本概念，理解起来会更加困难。
开始创建自己的第一个示例。请选择一个相对简单的示例，以便快速熟悉软件。
完成第一个示例后，可联系技术支持，获取有关改进模型和更高效使用软件的建议。

CST Studio Suite 粒子动力学仿真¶

CST Studio Suite 粒子动力学仿真模块是一套功能完整的软件包，用于设计和分析加速及引导带电粒子束的电磁部件。它提供基于行业标准 ACIS 建模内核的强大实体建模前端，从而简化结构生成。强大的图形反馈进一步简化了器件定义。完成组件建模后，软件会在启动仿真引擎之前，采用基于专家系统的全自动网格划分流程进行电磁计算准备。

这些仿真器支持完美边界近似（Perfect Boundary Approximation, PBA）功能，与传统仿真器相比，可显著提高电磁仿真的精度。为了计算电磁场并分析粒子动力学，该软件包含四种不同求解器：时域尾场仿真器、时域电磁粒子云网格（Particle-in-Cell, PIC）求解器、静电粒子云网格求解器以及粒子跟踪求解器。

此外，CST Studio Suite 热-力仿真模块还支持后续的多物理场分析。

如果您不确定哪种求解器最适合您的需求，请联系当地销售办事处获取进一步帮助。

每种求解器的仿真结果都可以通过多种选项进行可视化。高度交互式界面同样可帮助您快速获得对器件的所需理解。

最后一个同样重要的突出特性是结构建模器的完全参数化能力，它允许在组件定义中使用变量。结合内置优化器和参数扫描工具，CST Studio Suite 粒子动力学仿真模块既可用于粒子加速器件的分析，也可用于其设计。

谁会使用 CST Studio Suite 粒子动力学仿真？¶

凡是需要处理涉及带电粒子动力学效应的电磁问题的用户，都可以从 CST Studio Suite 中显著受益。该程序尤其适合快速、高效地分析和设计电子枪、偏转装置、导引结构等组件。由于其底层方法采用通用三维求解方式，CST Studio Suite 粒子动力学仿真模块几乎可以求解任何涉及带电粒子相互作用的场问题。

该软件基于电磁求解方法，需要对整个计算体积进行离散化；因此，其应用范围主要受结构复杂度限制。

粒子动力学仿真的主要功能¶

以下列表概述了 CST Studio Suite 此部分的主要功能。请注意，受许可证限制，并非所有功能都一定可供您使用。更多信息请联系销售办事处。

通用功能¶

□ 适用于 Windows 10、Windows Server 2016/2019、Windows 11 和 Windows Server 2022 的图形用户界面 □ 结构既可以作为三维模型查看，也可以作为原理图查看。后者支持通过 System Assembly and Modeling 工作流进行耦合仿真的参数化方法。 □ 多种独立求解器策略可在高性能下获得精确结果 □ 对于特定求解器，高级数值技术可提供完美边界近似（PBA）® 等功能，适用于六面体网格；同时也支持四面体网格中的曲面和高阶单元

结构建模¶

□ 基于 ACIS 的高级参数化实体建模前端，具备优秀的结构可视化能力 □ 基于特征的混合建模器，可快速修改结构 □ 可从 ACIS SAT（如 AutoCAD®）、ACIS SAB、Autodesk Inventor®、IGES、VDA-FS、STEP、Pro/ENGINEER®、CATIA®、Siemens NX、Parasolid、Solid Edge、SolidWorks、CoventorWare®、Mecadtron®、NASTRAN、STL 或 OBJ 文件导入三维 CAD 数据 □ 可从 DXF™、GDSII、Gerber RS274X 和 RS274D 文件导入二维 CAD 数据 □ 可从包含 Cadence Allegro® / APD® / SiP®、Mentor Graphics HyperLynx®、Zuken CR-5000® / CR-8000®、IPC-2581 和 ODB++® 的设计流程中导入 EDA 数据（例如 Altium Designer、Mentor Graphics Expedition / PADS / Boardstation®、CADSTAR®、Visula®） □ 可导入源自 CST PCB Studio® 的 PCB 设计 □ 可导入二维和三维子模型 □ 可导入 Agilent ADS® 版图 □ 可导入 Sonnet® EM 模型 □ 可导入可见人体模型数据集或其他体素数据集

□ 可将 CAD 数据导出为 ACIS SAT、ACIS SAB、IGES、STEP、NASTRAN、STL、DXF™、GDSII、Gerber 或 POV 文件 □ 可对导入的 CAD 文件进行参数化 □ 材料数据库 □ 用于简化问题设置的结构模板

粒子跟踪仿真器¶

□ 任意形状的粒子源表面 □ 具有空间非均匀电流分布的圆形粒子源 □ 用于跟踪/跟踪或跟踪/PIC 仿真耦合的粒子接口 □ 基于粒子接口的 ASCII 发射数据导入

□ 静态场、本征模场以及多个外部场分布可作为源场 □ 支持六面体网格以及线性和曲面四面体网格 □ 可将四面体和六面体源场导入仿真

□ 空间电荷限制、等离子体鞘层、热电子发射（Child 定律和 Langmuir-Fry 模型）、固定发射和场致发射模型 □ 斜向发射 □ 由离子或电子诱导的二次电子发射可作为材料属性定义 □ 光激发电子发射 □ 材料特定的蒙特卡罗碰撞建模：

o 电子碰撞导致的体电离 o 离子碰撞导致的体电离 o 电子导致的中性原子激发 o 电子与中性气体之间的弹性碰撞 o 离子与中性气体之间的弹性碰撞

□ 可定义薄片材料对粒子的透明度 □ 通过电子枪迭代考虑空间电荷 □ 在电子枪迭代中考虑自磁场

□ 分析提取粒子电流和空间电荷 □ 监测束流截面、相空间图以及束流的其他统计数据 □ 发射度计算 □ 热耦合（导出撞击粒子产生的热损耗分布）

□ 使用内置参数扫描工具进行自动参数研究 □ 使用内置优化器针对任意目标进行自动结构优化 □ 用于远程计算的网络分布式计算 □ 与 CST Studio Suite 热求解器进行耦合仿真 □ 支持 Linux 批处理模式

注：某些求解器功能可能仅适用于六面体网格或四面体网格。

静电粒子云网格仿真器¶

□ 任意形状的粒子源表面 □ 具有空间非均匀电流分布的圆形粒子源 □ 具有 Maxwell 分布的体粒子源 □ 用于跟踪/跟踪或跟踪/PIC 仿真耦合的粒子接口 □ 基于粒子接口的 ASCII 发射数据导入

□ 静态场、本征模场以及多个外部场分布可作为源场 □ 支持六面体网格以及线性和曲面四面体网格

□ 可将四面体和六面体源场导入仿真 □ Gaussian、DC、场致和爆炸发射模型 □ 斜向发射 □ 由离子或电子诱导的二次电子发射可作为材料属性定义 □ 材料特定的蒙特卡罗碰撞建模： o 电子碰撞导致的体电离 o 离子碰撞导致的体电离 o 电子导致的中性原子激发 o 电子与中性气体之间的弹性碰撞 o 离子与中性气体之间的弹性碰撞 □ 可定义薄片材料对粒子的透明度 □ 分析提取粒子电流和空间电荷 □ 用户自定义激励信号和信号数据库 □ 监测束流截面、相空间图以及束流的其他统计数据 □ 固体或边界上的粒子监视器，包括能量直方图 □ 相空间监测 □ 热耦合（导出撞击粒子产生的热损耗分布） □ 仿真过程中在线可视化中间结果 □ 适用于粒子和六面体场求解器的周期边界条件 □ 粒子合并 □ 因碰撞粒子导致的 PEC 充电 □ 使用内置参数扫描工具进行自动参数研究 □ 使用内置优化器针对任意目标进行自动结构优化 □ 用于远程计算的网络分布式计算 □ 与 CST Studio Suite 热求解器进行耦合仿真 □ 支持 Linux 批处理模式 □ 适用于六面体网格的单 GPU 加速（并非所有求解器功能均受支持）

注：某些求解器功能可能仅适用于六面体网格或四面体网格。

粒子云网格仿真器¶

□ 任意形状的粒子源表面 □ 具有空间非均匀电流分布的圆形粒子源 □ 开放边界中的圆形粒子源 □ 具有 Maxwell 分布的体粒子源 □ Gaussian、DC、场致和爆炸发射模型 □ 斜向发射 □ 用于跟踪与 PIC 仿真耦合的粒子接口 □ 基于粒子接口的 ASCII 发射数据导入 □ 可选择激活的粒子源 □ 静态场、本征模场以及多个外部场分布可作为附加源场 □ 可导入四面体源场 □ 自动检测多倍电子击穿 □ 热耦合（导出撞击粒子产生的热损耗分布） □ 粒子周期边界条件

□ 支持单 GPU / 多 GPU 加速

□ 单节点并行化

□ 支持 Linux 批处理模式

□ 仿真过程中在线可视化中间结果 □ 可在一次仿真运行中计算随时间变化或在多个选定频率下的场分布 □ 粒子位置和动量的时域监测 □ 固体或边界上的粒子监视器，包括能量直方图 □ 输出功率的时域监测 □ 粒子电流密度的时域监测 □ 相空间监测 □ 发射度计算 □ 由离子或电子诱导的二次电子发射可作为材料属性定义 □ 基于蒙特卡罗碰撞模型的材料特定电子碰撞体电离 □ 可定义薄片材料对粒子的透明度 □ 各向同性和各向异性材料属性 □ 任意阶介电常数和磁导率的频率相关材料属性，以及材料参数拟合功能 □ 场相关微波等离子体和旋磁材料（磁化铁氧体） □ 非线性材料模型（Kerr、Raman） □ 表面阻抗模型（表格化表面阻抗、欧姆薄片、有损金属、波纹壁、材料涂层） □ 频率相关多层薄面板材料（各向同性且对称） □ 时间相关导电材料 □ 通过频域二维本征模求解器计算端口模式 □ 通过指定目标频率高效计算高阶端口模式 □ 自动波导端口网格自适应 □ 用于多导体 TEM 模式端口的多引脚端口 □ 用户自定义激励信号和信号数据库 □ CPU 求解器的电荷吸收开放边界 □ 高性能辐射/吸收边界条件 □ 导电壁边界条件 □ 计算时域和频域中的各种电磁量，如电场、磁场、表面电流、功率流、电流密度、功率损耗密度、电能密度、磁能密度、电压或电流 □ 计算时间平均功率损耗体监视器 □ 计算时间平均表面损耗 □ 离散边和面单元（集总电阻）可作为端口 □ 理想电压源和电流源 □ 在结构中任意位置放置离散边和面 R、L、C 以及（非线性）二极管元件 □ 使用内置参数扫描工具进行自动参数研究 □ 使用内置优化器针对任意目标进行自动结构优化 □ 用于远程计算的网络分布式计算 □ 支持与 CST Design Studio™ 进行瞬态协同仿真 □ 与 CST Studio Suite 热求解器进行耦合仿真

尾场仿真器¶

□ 用于超相对论和非相对论束流的粒子束激励

□ 传输线注入方案（改善色散特性） □ 用于超相对论束流的任意粒子束形状 □ 自动尾势计算 □ 自动尾阻抗、损耗因子和踢因子计算 □ 尾场后处理器允许重新计算尾阻抗 □ 粒子束网格设置 □ 可用直接尾场积分方法和两种间接尾场积分方法 □ 通过区域分解进行 MPI 集群并行化 □ 支持 Linux 批处理模式 □ 可高效计算无损和有损结构 □ 可在一次仿真运行中计算随时间变化或在多个选定频率下的场分布 □ 三维自适应网格细化 □ 各向同性和各向异性材料属性 □ 频率相关材料属性 □ 旋磁材料（磁化铁氧体） □ 用于良导体的表面阻抗模型 □ 通过频域二维本征模求解器计算端口模式 □ 自动波导端口网格自适应 □ 用于多导体 TEM 模式端口的多引脚端口 □ 同样适用于带电粒子束的高性能吸收边界条件 □ 导电壁边界条件 □ 计算时域和频域中的各种电磁量，如电场、磁场、表面电流、功率流、电流密度、功率损耗密度、电能密度、磁能密度、电压或电流 □ 计算时间平均功率损耗体监视器 □ 计算时间平均表面损耗 □ 离散边和面单元（集总电阻）可作为端口 □ 理想电压源和电流源 □ 在结构中任意位置放置离散边和面 R、L、C 以及（非线性）二极管元件 □ 使用内置参数扫描工具进行自动参数研究 □ 使用内置优化器针对任意目标进行自动结构优化 □ 用于优化、参数扫描以及多个端口/模式激励的网络分布式计算 □ 支持与 CST Design Studio™ 进行瞬态协同仿真 □ 与 CST Studio Suite 热求解器进行耦合仿真

本征模仿真器¶

□ 计算封闭无损或有损结构中的模态场分布 □ 支持六面体网格以及线性和曲面四面体网格 □ 各向同性和各向异性材料 □ 多线程并行化 □ 以本征模频率作为停止准则的三维自适应网格细化，并支持真实几何自适应 □ 包含相移的周期边界条件

计算每个模式的损耗以及内部/外部 Q 因子（可直接计算或使用微扰方法） □ 可在结构中任意位置放置离散 L、C 元件 □ 可设置目标频率（在频率区间内计算） □ 计算给定频率区间内的所有本征模 □ 针对由面约束定义的材料和几何变形进行灵敏度分析（使用四面体网格） □ 自动洛伦兹力计算 □ 引入通用（有损）求解器 □ 支持开放边界条件，用于精确计算内部/外部 Q 因子 □ 仅支持带自动自适应网格细化的四面体网格 □ 使用内置参数扫描工具进行自动参数研究 □ 使用内置优化器针对任意目标进行自动结构优化 □ 用于优化和参数扫描的网络分布式计算 □ 与 CST Studio Suite 热求解器进行耦合仿真

静电场仿真器¶

□ 各向同性和（坐标相关）各向异性材料属性 □ 源：电势、导体上的电荷（浮动电势）、均匀体电荷密度和表面电荷密度 □ 力计算 □ 电容计算 □ 电/磁/切向/法向/开放/固定电势边界条件 □ 六面体网格的周期边界条件 □ 完美导电薄片和导线 □ 可在结构中任意位置放置离散边电容元件 □ 三维自适应网格细化 □ 使用内置参数扫描工具进行自动参数研究 □ 使用内置优化器针对任意目标进行自动结构优化 □ 用于优化、参数扫描和远程计算的网络分布式计算 □ 与 CST Studio Suite 机械求解器进行耦合仿真

静磁场仿真器¶

□ 各向同性和（坐标相关）各向异性材料属性 □ 非线性材料属性 □ 叠片材料属性 □ 源：线圈、永磁体、电流路径、外部场、稳态电流场 □ 可在结构中任意位置放置离散边电感 □ 力计算 □ 电感计算 □ 磁链 □ 电/磁/切向/法向/开放边界条件 □ 三维自适应网格细化 □ 使用内置参数扫描工具进行自动参数研究 □ 使用内置优化器针对任意目标进行自动结构优化 □ 用于优化、参数扫描和远程计算的网络分布式计算 □ 与 CST Studio Suite 机械求解器进行耦合仿真

可视化和二次结果计算¶

□ 支持多个一维结果视图 □ 导入并可视化外部 xy 数据 □ 复制/粘贴 xy 数据集 □ 通过交互式调谐滑块快速访问参数化数据 □ 自动存储参数化一维结果 □ 显示端口模式（包括传播常数、阻抗等） □ 针对电场、磁场、功率流、表面电流等提供多种二维和三维场可视化选项 □ 场分布动画 □ 粒子和二次电子随时间变化的一维曲线（PIC） □ 蒙特卡罗碰撞的碰撞事件监视器 □ 发射粒子和吸收粒子的电流/功率一维曲线（PIC） □ 波-粒功率传递（PIC） □ 二维和三维粒子位置/动量动画（PIC） □ 三维粒子轨迹可视化（Tracking） □ 二维/三维场与粒子位置的组合可视化（PIC） □ 可视化粒子与固体碰撞产生的热损耗分布 □ 三维显示源定义 □ 在 xy 图中显示非线性材料曲线 □ 显示具有非线性磁导率的材料的材料分布 □ 场分布动画 □ 沿任意曲线显示并积分二维和三维场 □ 跨任意面分对三维场进行积分 □ 分层结果模板，可从各种仿真运行中自动提取并可视化任意结果。这些数据也可用于定义优化目标。

结果导出¶

□ 将场、曲线等结果数据导出为 ASCII 文件 □ 将粒子数据导出为 ASCII 文件 □ 导出结果场图的屏幕截图

自动化¶

□ 强大的 VBA（Visual Basic for Applications）兼容宏语言，包括编辑器和宏调试器 □ OLE 自动化，可无缝集成到 Windows 环境中（Microsoft Office®、MATLAB®、AutoCAD®、MathCAD®、Windows Scripting Host 等）

关于本手册¶

本手册主要用于帮助用户快速开始使用 CST Studio Suite 粒子动力学仿真模块。它并不打算作为所有可用功能的完整参考指南，而是为您概述关键概念。理解这些概念后，您可以借助在线文档高效学习软件的使用方法。

本手册的主体部分是“仿真工作流”（第 2 章），它将引导您了解 CST Studio Suite 粒子动力学仿真模块最重要的功能。我们强烈建议您认真学习这一章。

文档约定¶

□ 在对话框中应按下的按钮始终以斜体书写，例如 OK。 □ 组合键始终用加号（+）连接。Ctrl+S 表示按住 Ctrl 键的同时按下 S 键。 □ 程序功能可通过主窗口顶部的 Ribbon 命令栏访问。命令按 Ribbon 中的一系列选项卡组织。在本文档中，命令按以下方式显示：选项卡名称：组名称按钮名称命令名称。这表示您应先激活相应选项卡，然后按下属于该组的命令名称按钮。如果存在键盘快捷键，则会显示在命令后的括号中。示例：View: Change View Reset View (Space) □ 项目数据可通过应用程序主窗口左侧的导航树访问。导航树中的项目按以下方式引用：NT: 树文件夹子文件夹树项目。 □ 示例：NT: 1D Results Port Signals i1

您的反馈¶

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