网传“光刻工厂”真相揭晓，让我们用 CST 电磁仿真软件的方式打开它
近期，一则消息在各大视频平台广为传播，称清华大学 EUV 项目把 ASML 的光刻机巨大化，实现了光刻机国产化，并表示这个项目已经在雄安新区落地。对此，中国电子工程设计院有限公司 9 月 18 日发声，称该项目并非网传的国产光刻机工厂，而是北京高能同步辐射光源项目（HEPS）。据悉，HEPS 坐落于北京怀柔雁栖湖畔，是国家“十三五”重大科技基础设施。它是我国第一台高能量同步辐射光源，也是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一，早在 2019 年就开始建设，预计 2025 年底竣工验收。
HEPS （图源：中国科学院高能物理研究所官网）
HEPS（High Energy Photon Source，HEPS）全称为高能同步辐射光源，其原理是通过加速器将电子束加速到 6GeV，然后注入周长为 1360.4 米的储存环，用接近光速的速度保持运转。电子束在储存环的不同位置，通过弯转磁铁或者各种插入件时就会沿着偏转轨道切线的方向，释放出稳定、高能量、高亮度的光，也就是同步辐射光。由储存环辐射出来的同步光，其波长范围涵盖了红外、可见光、紫外和 X 射线等，在 X 射线波段表现尤为优异，因此我们也可以将 HEPS 看作是一个巨大的 X 光机，它产生的小光束可以穿透物质、深入内部进行立体扫描，从分子、原子的尺度多维度地观察微观世界。
所以 HEPS 是进行科学实验的大科学装置，并不是网传的光刻机工厂。理论上 HEPS 可以作为芯片制造的光源使用，但其能创造的价值远不止于此——HEPS 可以支持航空航天、新材料、能源、医药开发、先进制程、环保、生物等众多前沿科学领域的研究，助力攻克各种“卡脖子”技术难题。
HEPS 主要由加速器、光束线站和实验站组成。其中 HEPS 加速器是光源的主体，负责为光束线站提供高品质的同步光；它由直线加速器、增强器、储存环和连接这三台加速器的 3 条输运线组成。HEPS 整个加速器的结构如下图所示：
HEPS 加速器示意图
（图源：中国科学院高能物理研究所官网）
01 位于源头的热阴极电子枪产生的电子进入全长约 49m 的直线加速器（LINAC），在保证电子束流品质的同时，能量由 0.0005GeV 提升至 0.5GeV；
02 电子从直线加速器出来之后，进入到增强器（Booster），增强器是一个电子同步加速器，采用 4 重对称的 FODO 磁聚焦结构，周长约 454.5m；它将电子束流从 0.5GeV 提升到 6GeV；
03 通过增强器后的电子注入到储存环中，储存环的硬件系统主要包括由二极铁、四极铁、六极铁、八极铁、独立校正铁以及校正线圈等组成的磁铁系统和真空盒、高频腔等部件，经由这些部件作用，产生同步辐射光；
04 最后，由储存环辐射出来的同步光到达光束线站。光束线站是同步辐射光的应用场所，即科研人员利用同步光开展科学研究、产出科研成果的地方。
HEPS 工作流程图
（图源：中国科学院高能物理研究所官网）
HEPS 系统中涉及的电子枪、加速器、磁体等关键部件均可以采用达索系统 SIMULIA 旗下的电磁仿真软件 CST 软件（以及 Opera）进行仿真设计。由于在真实系统上进行大量实验调试不仅耗时且成本高昂，而基于虚拟样机的仿真可以减低成本、还可以尽早发现和解决潜在问题，并且能帮助工程师深入了解设备的工作机理；因此采用仿真计算代替实际调测具有极其重要的意义，各个领域也越来越广泛地使用 CST 软件仿真。
CST 软件提供完备的时域和频域全波电磁算法和高频算法，可以覆盖整个电磁频段的仿真应用。CST 软件最初被开发出来正是用于帮助建造德国电子同步辐射加速器（Deutsches Elektronen Synchrotron, DESY）；因此，CST 粒子工作室功能十分强大，具有十分完备的求解器（TRK、PIC、ES-PIC、WAK），并且能够仿真复杂的大尺寸结构；在电子枪、加速器、磁体等粒子相关领域有着非常成熟的解决方案。Opera 是一种有限元分析软件套件，它是对现有达索系统 SIMULIA 电磁产品组合的补充，在低频仿真方面具有强大优势，对于设计磁体、电子枪、电动机等设备非常有用。
CST 粒子工作室发展历程
CST 工作室中的静磁求解器（Ms Solver）可以用来设计线圈和磁体，下图所示的四极磁体通常用于加速器中，用来聚焦粒子束。在 CST 软件中完成建模和仿真后，得到磁感应强度 B 的三维分布图；还可以通过后处理提取磁感应强度 B 沿着圆周变化的曲线。
（a）四极磁体模型；（b）磁感应强度 B 的 3D 分布
CST 粒子工作室的 Tracking Solver 可以用来设计电子枪。电子枪是产生、加速及会聚高能量密度电子束流的装置，它发射出具有一定能量、一定束流以及速度和角度的电子束 。如下方左图所示，电子枪由电子的发射极（阴极）、聚焦电子束的聚焦极、和加速电子的引出极（阳极）三部分组成。下方右图为仿真得到的粒子轨迹；关注的其它指标例如束腰、流强、发射度等也可以通过 CST 软件仿真得到。
电子枪 CST 仿真
加速器是一种利用电磁场加速带电粒子至高能量的设备。加速器组件的设计会更为复杂，例如下图所示的直线加速器，我们首先会用到本征模求解器（Eigenmode Solver）进行超导腔体仿真，研究本征模和失谐；然后采用 PIC Solver 进行次级电子倍增效应仿真；最后采用 Wakefield Solver 进行尾场分析。
直线加速器 CST 仿真
同样，Opera 也可以进行电子枪、磁体等设计，并且仿真精度很高。下图展示了采用 Opera 设计的加速器磁体和电子枪。
Opera 设计的加速器磁体
Opera 设计的电子枪
总而言之，CST 软件及 Opera 仿真可以覆盖非常广泛的粒子应用，例如航空及国防行业的真空电子器件；能源及基础科学研究机构的加速器、对撞机；高科技行业的磁控管、行波管、光刻机；医疗行业的直线加速器、质子治疗中心等都可以采用 CST 软件及 Opera 进行仿真。更多的仿真应用期待大家一起来探索！
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分享实用的仿真技巧~ 2023-05-11 加入
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