电荷交换单元可以改变离子束的电荷，使其可用于核聚变反应堆、粒子加速器和半导体制造设备。但是，由于许多因素（例如输入粒子束的能量、单元几何形状和中性粒子数密度）必须被测试，因为它们会影响设备性能。因此，改善这些设备的设计可能很耗时。这些分析通常是由仿真专家完成的，但他们可以通过创建仿真 App 使其他人也能使用这些设计……
使用电荷交换单元改变离子束的电荷
电荷交换单元可以将带正电或带负电的离子束转换为中性粒子束。电荷交换单元的工作原理是使离子束通过稀薄气体进入一个真空室中。当离子与气体相互作用时，一部分离子发生电荷交换而离子束的能量或方向几乎没有损失；中性粒子束继续沿其原始路径前进，其余离子（未进行电荷交换的离子）通过带电板偏转。
仿真结果显示，电荷交换单元中的带电极板如何使发生电荷交换反应的离子继续向前前进，未进行离子交换的离子发生偏转。
由于具有使离子交换电荷的能力，这些单元被用在加速器（例如同步加速器）等设备中用于产生中性束，这对医学研究很有帮助。此外，它们还可用于离子注入过程，包括表面处理（例如人工关节）、钢的增韧（例如钻头），以及半导体制造（例如，金属氧化物半导体场效应晶体管或 MOSFET）等。在这些应用中，中性束是所需要的粒子，因为它不会在目标表面上累积大量的电荷。
为了使电荷交换单元高效工作，设备各个方面的优化都非常重要，例如：
- 使用的气体类型（氩气、氙气等）
- 气体数密度
- 腔室的形状和大小
- 带电板偏置电压的大小
这就是为什么我们需要仿真的原因，因为仿真能够使工程师优化这些参数从而降低原型制作成本。通常，测试不同的设计由仿真专家完成，但这会减少他们从事其他创新项目所需要的时间。另外，所有这些测试会在整个开发过程中造成瓶颈，因为只有少数人可以运行仿真分析。
创建一款仿真App是一种高效的选择。仿真App可以包含模型的所有物理特性，具有易于使用的界面，但可以仅显示我们想展示的功能。通过部署这样的仿真App，我们可以使不是仿真专家的团队成员能够分析和优化电荷交换单元设计；例如，计算电荷交换效率、所得粒子束的路径等。下面，我们来看一个使用COMSOL Multiphysics®软件以及附加的分子流模块和粒子追踪模块创建仿真 App 的示例。
注意：本文没有涉及基础模型的详细信息，我们可以在通过一个电荷交换室中质子束中和案例教程中找到这些信息。
通过仿真 App 简化电荷交换单元的设计
电荷交换单元模拟器可模拟电荷交换单元，将高能正离子束转换为中性束。为了使用户能够轻松地在各种情况下测试不同的设计，下面演示的仿真 App 包括三个选项卡，包含电荷交换单元的关键部分参数：
- 真空参数
- 真空室尺寸
- 包含氩气的气室的流速
- 泵速
- 粒子束参数
- 输入光束的Twiss参数和发射率
- 离子总数
- 离子最可几能量
- 偏转电极参数
- 偏转电极的尺寸及其之间的电位差
对于各种可用的参数，我们很难记住参数是否已更改。因此，仿真 App 中包含了有用的状态卡，使用户可以了解几何和解的状态。当其中一个几何参数被更改后，将出现一条消息，提示用户单击更新/显示几何按钮，确保用户正在查看对应的几何。此外，在上一个解被计算后，如果任何参数被更改，就会有一条单独的消息提示输入数据已更改，并且用户无法查看解或创建报告。这些措施有助于确保用户得到的结果与输入的参数相匹配。
该仿真 App 还包含许多其他选项用来控制仿真。例如，通过单击高级设置按钮，用户可以增加时间步的数量，以提高结果的准确性，这在高气压和发生频繁碰撞时特别有用；用户还可以指定仿真中的中性粒子和氩离子的数量；另外，与图形窗口类似，如果没有足够的粒子用于模拟，系统将会自动显示警告消息。
电荷交换单元模拟器还为用户提供了选择生成仿真结果报告的格式，即以 HTML 或 Microsoft®Word 格式显示。仿真 App 中还有一个按钮，使创建报告变得简单。创建的报告中详细说明了模型设置、输入参数的值和仿真结果。
演示仿真 App 的结果
根据需要调整仿真 App 设置后，用户可以单击计算按钮使电荷交换单元的各个方面可视化，包括：
- 真空室和包含氩气的内部单元壁上的气压
- 沿粒子束路径的气体数密度
- 带电板周围的电位分布
- 偏转离子和中性束的路径
此外，该仿真 App 还计算了设计效率。电荷交换单元的性能取决于被中和离子的百分比，这可以在仿真 App 的数值结果部分以及生成的报告中看到。此外，该报告将详细介绍模拟中的所有反应类型以及每种反应的数量，从而可以更深入地了解交换反应的产物。
通过使用该仿真 App，任何人都可以轻松地测试并优化电荷交换单元的性能，从而增强整体设计过程。
动手尝试
如果您想要获取电荷交换单元模拟器演示仿真 App，请单击下面的按钮转至 COMSOL 案例库 。通过有效的软件许可证，您就可以下载演示仿真 App 并查看其随附的说明文档。
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