Trak Charged Particle Tool 软件资讯：二维带电粒子束软件

程序功能概述

Trak 是一款面向带电粒子光学的多功能仿真程序，应用领域包括电子枪和离子枪、粒子加速器、离子源、微波源、加速柱、静电与磁透镜、真空管及电光器件等。Trak 属于 TriComp 系列场求解程序套件的一部分，该套件还包括 Mesh（通用网格生成器）以及 EStat 和/或 PerMag 用于生成场输入文件。在使用 Trak 之前，用户应熟悉网格生成和场求解流程。套件中还包含 GenDist，一个用于创建和分析粒子分布的实用工具。

本篇将着重介绍 Trak 的运行流程，不详细阐述带电粒子束的物理原理。程序作者撰写的两本著作（随 Trak 软件包提供）对带电粒子光学有完整概述：

• S. Humphries, Jr., Principles of Charged Particle Acceleration (Wiley, New York, 1986)

• S. Humphries, Jr., Charged Particle Beams (Wiley, New York, 1990)

程序组织与文件结构

Trak 计算通常包含以下步骤：

1. 使用 Mesh 绘图编辑器（或文本编辑器直接输入边界矢量）定义系统几何，生成场求解的 Mesh 输入文件（格式 FPrefix.MIN）。

2. 使用 Mesh 处理矢量信息，生成一个或两个共形三角网格（记录在 FPrefix.MOU 文件中），可处理重叠同一空间区域的独立电/磁场网格。

3. 使用 EStat 和/或 PerMag 的脚本生成对话框定义材料属性，生成求解程序输入文件（FPrefix.EIN 和/或 FPrefix.PIN）。

4. 运行 EStat 和/或 PerMag 生成场解文件（FPrefix.EOU 和 FPrefix.POU），包含完整网格信息及静电或矢量势值，Trak 利用这些信息计算粒子轨迹上的 E 或 B 场。

5. 确定计算模式，使用 Trak 交互式对话框准备输入脚本（FPrefix.TIN）控制运行。

6. 运行 Trak 确定粒子轨迹（可选地包含束流空间电荷修正电场）。

7. 使用 Trak 创建轨迹/场图，或使用 GenDist 分析输出粒子分布。

常用文件类型总结如下：

计算基础

Trak 计算点状带电粒子在电磁场中的轨迹。这些场可能来自外部电荷和电流（如金属电极感应电荷）、邻近电介质中的表面电荷或磁体线圈电流等（称为外加场）。对于低强度束流，仅需确定外加场即可追踪任意数量粒子轨迹（单粒子轨迹模式），此时粒子间相互作用可忽略。

场计算采用有限元方法，将空间区域划分为小段（TriComp 程序使用三角形截面单元），三角形大小和形状根据电极等物理对象边界调整。EStat 静电场计算在节点上确定电势，材料特性（如介电常数、空间电荷或恒定电势）分配给三角形体积。PerMag 生成的独立外加磁场解可具有不同计算网格，由矢量势节点值构成。

Trak 计算中，粒子轨迹以小时步推进。每一步需确定粒子所在单元，收集相邻节点势值并计算空间导数以估计电场；类似地，在磁网格中确定所在三角形以计算磁场。给定场和初始粒子动量后推进轨迹，并检查粒子是否超出网格或进入非真空单元以决定停止计算。

对于二维问题，TriComp 求解程序处理圆柱结构（r-z 变化，θ 方向均匀）或平面结构（x-y 变化，z 方向无限长）中的场。Trak 使用二维场分量在三维笛卡尔坐标中计算粒子轨迹。笛卡尔场分量由径向分量导出。

追踪模式

Trak 支持六种计算模式：

1. TRACK（单粒子追踪）：在外加电磁场中追踪单粒子轨迹，无束致成分。粒子可从用户指定列表生成，或在区域边界发射面上自动生成。适用于低电流或已中和束流。

2. FLINE（场线追踪）：在 EStat 静电解中追踪电场线，常用于计算电阻性介质中的带电粒子流线。

3. SCHARGE（非相对论性强流束）：非相对论性强流电子和/或离子束，包含自洽空间电荷效应。粒子可从用户列表和/或 Child 定律发射面生成。

4. RELBEAM（相对论性强流束）：相对论性强流电子和/或离子束，包含束致电场和磁场的自洽效应。粒子可从用户列表和/或 Child 定律发射面生成。

5. FEMIT（场致发射）：电子场致发射，含自洽束致场。粒子可从用户列表和/或遵循 Fowler-Nordheim 方程的发射面生成，适用于真空微电子学应用。

6. PLASMA（等离子体离子提取）：从自由等离子体表面以 Child 定律发射产生强流离子束，发射面形状自动修正以确保均匀离子通量。