一种快速且精确的多电极静电透镜设计方法

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：A Fast and Accurate Method for Multi-electrode Electrostatic Lens Design

　　

摘要：

多电极静电透镜系统的全局优化需要数千次电场和轨迹计算，这带来了巨大的计算负担。传统的体积求解方法（如有限元方法（FEM）和有限差分方法（FDM）虽然精确，但计算速度较慢。相比之下，快速渐近方法（如二阶元素方法（SOEM）虽然计算速度快，但在轴外区域的精度会降低。本文提出了一种加速框架，该框架结合了边界元素方法（BEM）进行高精度电场计算和自适应欧拉积分方案进行轨迹追踪。BEM 仅对电极边界进行离散化处理，从而降低了计算维度，并提供了电场的解析导数。自适应欧拉方法在控制局部截断误差的同时，减少了计算成本较高的电场评估次数。这种方法在保持通用性的同时，将电场求解速度提高了 10 到 100 倍，每次模拟的端到端加速效果达到了 17 倍，相比标准 FDM 有显著提升。这种性能使得实际的全局优化成为可能（例如通过遗传算法），将处理时间从几天缩短到几小时。该方法的有效性通过基准测试以及四极准直器的成功设计和实验验证得到了验证。