IONTRACE

• Zwei- und dreidimensionale Rechnung – dieselbe Software rechnet wahlweise vollständig dreidimensional oder translationssymmetrisch in zwei Dimensionen. Der 2D-Modus nutzt dieselbe Oberfläche und dieselben Auswertungen, löst große Gitter jedoch deutlich schneller und eignet sich damit für Voruntersuchungen und für translationssymmetrische Anordnungen wie den Zylinderanalysator.
• Plasma und Ionenemission – Modelle für die selbstkonsistente Plasmaextraktion mit Boltzmann-Elektronen sowie für vorgegebene Emitterflächen und Anfangsverteilungen.
• Elektrische Feldberechnung – Lösung der Poisson- beziehungsweise Poisson-Boltzmann-Gleichung unter Berücksichtigung der Raumladung. Für die entstehenden linearen Gleichungssysteme stehen Mehrgitter-, SOR- und direkte Lösungsverfahren zur Verfügung.
• Gekoppelte Teilchenrechnung – Ionenbahnen und Raumladungsdichte werden iterativ mit dem elektrischen Feld gekoppelt.
• Zeitabhängige Potentiale – zeitlich veränderliche Elektrodenspannungen ermöglichen die Untersuchung dynamischer Ionenoptiken, beispielsweise von Time-of-Flight-Anordnungen.
• Gekrümmte Elektrodenoberflächen – wahlweise klassische Treppendarstellung oder Teilzellenkorrektur nach Shortley–Weller zur genaueren Abbildung gekrümmter Grenzflächen.
• Symmetrien und mehrere Aperturen – Spiegelrandbedingungen ermöglichen reduzierte Rechengebiete. Auch Geometrien mit mehreren Aperturen können in einem gemeinsamen Rechengebiet untersucht werden.
• Geometrieerstellung – parametrischer Aufbau aus geometrischen Grundkörpern – darunter Zylindersegment, Halbzylinder und gekrümmte Elektroden –, die frei im Raum positioniert und um beliebige Winkel gedreht werden können, sowie ein lesbares, textbasiertes und versionierbares Dateiformat.
• Neutralgas – Testteilchen-Monte-Carlo-Simulation der räumlichen Neutralgasverteilung innerhalb der Elektrodengeometrie.
• Ladungsaustausch – Erzeugung und Verfolgung von Ladungsaustauschionen auf Grundlage der lokalen Neutralgasdichte, des Ionenstrahls und der entsprechenden Wirkungsquerschnitte. Entstehungsorte und Elektrodenauftreffpunkte können räumlich ausgewertet werden.
• Erosion und Lebensdauer – Berechnung des material-, energie- und winkelabhängigen Elektrodenabtrags. Die fortschreitend veränderte Geometrie kann in die anschließende Feld-, Teilchen- und Neutralgasrechnung übernommen werden.
• Visualisierung und Auswertung – integrierte 3D-Darstellung, Konvergenz- und Fortschrittsanzeige sowie Export von Simulations- und Auswertungsdaten.

• Analytische Verifikation – Vergleich des elektrostatischen Feldlösers mit der exakten Lösung für einen Plattenkondensator.
• Netzkonvergenz – Untersuchung der Lösung auf zunehmend feineren Rechengittern und Vergleich der klassischen Treppendarstellung mit der Teilzellenbehandlung nach Shortley–Weller.
• Vergleich mit KOBRA – Gegenüberstellung ausgewählter Feld-, Strahl- und Stromgrößen für einen gemeinsamen Referenzfall. Verbleibende Unterschiede werden unter Berücksichtigung der jeweiligen Plasma- und Emissionsmodelle bewertet.
• Prüfung der Erosionsrechnung – definierte Testfälle für die Verarbeitung von Ionenauftreffern, die Berechnung des Materialabtrags und die schrittweise Aktualisierung der Geometrie.
• Verifikation der Neutralgasrechnung – Vergleich der berechneten Transmission durch eine zylindrische Apertur mit dem entsprechenden Clausing-Faktor im molekularen Strömungsbereich.

Neuerungen in Version 2.1.2

Version 2.1.2 ersetzt 2.1.1 und behebt einen Fehler in den mitgelieferten Beispielaufbauten. Alle Neuerungen aus 2.1.1 sind enthalten.

• Umladung in den REX-3G-Beispielen. Die vier Beispielaufbauten nennen Xenon jetzt ausdrücklich als Strahlsorte und als Stoßpartner der Umladung. Bisher stand nur die Ionenmasse im Aufbau; wer die Umladung einschaltete, bekam sie abgelehnt. Die Meldung bei fehlender Sorte nennt nun die Felder Ionensorte und Stoßpartner, in denen die Sorte zu wählen ist.

Neuerungen in Version 2.1.1

Version 2.1.1 vervollständigt die englische Oberfläche, lässt die Ionentemperatur in den Teilchenstart eingehen und bringt die Darstellung der erodierten Wand mit der Rechnung in Deckung. Erstmals gibt es ein Benutzerhandbuch. Die thermische Streuung der Ionen und die neue Wandlage für Umladungsionen sind in der Vorgabe eingeschaltet; Zahlenwerte können sich dadurch gegenüber 2.1.0 ändern. Setups und Ergebnisse aus 2.1.0 sollten sich weiterhin öffnen lassen, ohne Gewähr. Die Anbindung an Rechenverbünde ist wie bisher nicht Teil des Installationspakets.

• Benutzerhandbuch. Ein englischsprachiges Handbuch beschreibt die Plasma-Ionenextraktion von der Geometrie bis zur Lebensdauerrechnung am mitgelieferten Beispielaufbau, mit Referenzwerten zum Nachrechnen und einem Kapitel zur Prüfung der Verlässlichkeit eines Ergebnisses. Es steht auf dieser Seite als PDF bereit.
• Englische Oberfläche vervollständigt. Die Beschriftungen wurden systematisch auf verbliebene deutsche Texte geprüft und ergänzt, unter anderem in den Statuszeilen des Konvergenzreiters, den Kennwertkarten, den Beschreibungen der Sputtermodelle, der Parameterstudie sowie im Export- und im Körperdialog. Behoben sind dabei Bedienelemente, die auf Englisch nicht reagierten: der Durchfahren-Knopf der Strahlführung, die Auswahl der Punktwolke im Strahlprofil und der Vorschau-Knopf des Aufbau-Assistenten.
• Ionentemperatur im Teilchenstart. Die Ionentemperatur streut die Startgeschwindigkeit der Ionen quer zur Strahlrichtung und längs um die Bohm-Geschwindigkeit; bisher starteten alle Ionen exakt parallel. Die Streuung ist im Plasma-Dialog schaltbar; ausgeschaltet rechnet das Programm wie zuvor.
• Anteil doppelt geladener Xenon-Ionen abschätzen. Ein Vorschlagsknopf neben dem Eingabefeld schätzt den Anteil aus Elektronentemperatur, Plasmadichte und Neutralgasdichte der Entladung: direkte Doppelionisation nach Rejoub et al. (2002), stufenweise Ionisation über Xe⁺ mit dem gemessenen Querschnitt von Bell, Djurić und Dunn (1993). Eingetragen wird nur, was ausdrücklich übernommen wird.
• Wandlage für Umladungsionen. Ob ein Umladungsion die Wand trifft, wird an derselben Wand geprüft, mit der der Feldlöser rechnet. Bisher stand sie für diese Ionen um eine halbe Zellweite versetzt; in Rechenzellen mit zwei Viertellöchern wirkte dadurch ein Loch zu weit und das andere zu eng.
• Erodierte Wand in Bild und Auswertung. Die Feldreiter zeichnen die erodierte Kontur aus dem Füllstand der Zellen und damit die Wand, mit der gerechnet wird; dünne Materialreste erscheinen nicht mehr als Zähne. Die 3D-Ansicht zeigt zu einem Schnappschuss des Lebensdauerlaufs dessen Wand und die Treffer der zugehörigen Erosionsrunde. Der Radiusverlauf der Bohrung reicht über die ganze Länge der Elektrode einschließlich der Stirnschichten.

Neuerungen in Version 2.1.0

Version 2.1.0 erweitert Strahl und Umladung um gemischte Ladungszustände und eigene Querschnittstabellen, senkt den Speicherbedarf langer Lebensdauerläufe deutlich und beschleunigt die Auswertungsreiter. Setups und Ergebnisse aus 2.0.1 sollten sich weiterhin öffnen lassen, ohne Gewähr. Die Anbindung an Rechenverbünde ist wie bisher nicht Teil des Installationspakets.

• Gemischte Ladungszustände im Strahl. Der Strahl kann einfach und doppelt geladene Ionen zugleich enthalten; der Anteil wird als Teilchen- oder als Stromanteil angegeben und geht über Raumladung und Plasmadichte in die Feldrechnung ein. Direkt auftreffende Ionen tragen je Ladungszustand mit eigener Energie und eigenem Teilchenstrom ab. Die Umladung berücksichtigt für Xe²⁺ den doppelten und den einfachen Austausch nach Miller (2002), und der Lebensdauerlauf rechnet die Mischung mit.
• Eigene Umladungsquerschnitte. Querschnitte lassen sich als eigene Tabelle laden. Die Datei nennt in ihrem Kopf die Reaktion sowie Bezugssystem und Einheit der Energie; ein Hilfeknopf erklärt das Format. Eigene Zahlen werden verwendet, sobald der Aufbau ihre Reaktion nennt.
• Abtrag an der Lochwand. Der Einfallswinkel folgt in der Vorgabe der bereits erodierten Wand statt der Ausgangsform, und die Lochwand behält ihre Richtung bis an beide Plattenenden. Bei Rechenzellen mit mehreren Löchern wird das abgetragene Volumen je Loch ausgewiesen.
• Weniger Speicherbedarf. Ein Lebensdauerlauf hält nur noch einen Bahnsatz im Arbeitsspeicher, und die Umladungsrechnung kommt ohne gespeicherten Bahnsatz aus. Vor dem Start wird der Speicherbedarf abgeschätzt und bei knappem Arbeitsspeicher nachgefragt; während des Laufs zeigt das Live-Fenster die Belegung.
• Protokoll des Lebensdauerlaufs. Jeder Lauf schreibt von sich aus eine Datei in seinen Ergebnisordner: Aufbau, Betriebspunkt und Modellwahl im Kopf, eine Zeile je Erosionsschritt und ein Abschluss mit Abbruchgrund, Summen und Laufzeit. Auch ein abgebrochener Lauf ist damit vollständig dokumentiert.
• Schnellere Auswertung. Der Energiereiter wertet alle Bahnen in einem Durchgang aus, und die Feldschnitte zeichnen nach einem Neuaufbau nur noch einmal. Die Obergrenze der dargestellten Bahnen gilt jetzt auch auf den Feldkarten, und ein Reiterwechsel zeichnet ein fertiges Bild nicht neu.
• Aufbauten und Vergleichsrechnungen. Die Betriebsrechnung des Restgases verarbeitet auch Spiegelzellen mit zwei Viertelkanälen; die entsprechenden Hexzellen liegen als Aufbauten bei. Für Krypton ist ein Vergleich der Ausbeuterechnung mit den Messungen von Manova et al. (2026) dokumentiert, einschließlich der Abweichungen des Modells.
• Bedienung und Export. Ein geladenes Setup behält seine Restgaskarte und seine Lebensdauer-Einstellungen. Einstellungsfenster öffnen in der Größe, die ihr Inhalt braucht, die räumliche Ansicht des Aufbaureiters zeigt die Startfläche der Teilchen und erscheint korrekt im gespeicherten Bild, und der Erosions-Export schreibt den Umriss der ganzen Elektroden samt Rand des Rechengebiets.

Neuerungen in Version 2.0.1

Der Sprung auf Version 2 bündelt drei Entwicklungen: Die Software ist zweisprachig geworden, die Modelle für Ionensorten und Materialabtrag stehen auf einer belegten und benannten Grundlage, und die Lebensdauerrechnung berücksichtigt, wie der Abtrag selbst auf Restgas und Feld zurückwirkt. Setups und Ergebnisse aus 1.2.1 sollten sich weiterhin öffnen lassen, ohne Gewähr. Der Rahmen, in dem die Software benutzt werden darf, steht beim Start in der Oberfläche und wird dort bestätigt. Die Anbindung an Rechenverbünde ist wie bisher nicht Teil des Installationspakets.

• Zweisprachige Bedienung. Die gesamte Oberfläche lässt sich zwischen Deutsch und Englisch umschalten: Menüs, Einstellungen, Erklärungen, Meldungen, Tabellen, die Achsen- und Legendentexte aller Diagramme sowie der Assistent für neue Aufbauten. Englisch ist die Vorgabe. Auch das Installationsprogramm folgt der Sprache des Systems.
• Neu geordnete Oberfläche. Der Startbereich bietet die drei Wege in eine Rechnung unmittelbar an und führt von dort zu den mitgelieferten Beispielaufbauten. Die Bedienelemente eines Ergebnisreiters stehen in einer Spalte neben dem Bild, die wichtigsten Kennzahlen als Karten. Fachwerte lassen sich hinter einem Schalter verbergen, und Zahlenfelder wirken erst nach bestätigter Eingabe.
• Ionensorten und Umladung. Eine Ionensorte wird über ihre Zusammensetzung eingestellt; Masse und Ladungszustand folgen daraus und sind zwei getrennte Größen. Neben Xenon und Krypton ist Stickstoff mit eigenem Umladungsquerschnitt hinterlegt, mit Quellenangabe. Molekülionen fliegen als ganzes Teilchen und werden erst an der Oberfläche in ihre Atome aufgeteilt. Jede Energieangabe benennt, welche Energie sie meint.
• Modelle für den Materialabtrag. Die Ausbeuterechnung nach Yamamura und Tawara ist quellentreu nach NIFS-DATA-23 umgesetzt, einschließlich der Thomas-Fermi-Bremsung, des Elektronennenners und der veröffentlichten Materialparameter. Als zweites Modell steht die Beschreibung von Tartz und Neumann (2007) für Xenon auf Kohlenstoff bereit, dazu eine gemischte Wahl, die je Material das passende Modell zieht. Die Ausbeute lässt sich mit einem Faktor an eigene Messungen anpassen; der Vergleich mit veröffentlichten Messungen ist dokumentiert, auch dort, wo das Modell abweicht.
• Lebensdauer und Erosion mit Rückwirkung. Die Restgaskarte wird auf der tatsächlichen, aufgeweiteten Kanalform gerechnet, und jeder Erosionsschritt beginnt beim Feld des vorigen. Die Neutralgastransparenz wird über die Laufzeit mitgeschrieben, und ein beendeter Lauf kann um weitere Stunden verlängert werden, ohne von vorn zu beginnen. Zu jedem Zeitschritt entstehen Kontrollbilder; neu sind außerdem eine modellunabhängige Trefferliste je Erosionsschritt, die sich nachträglich mit anderen Annahmen auswerten lässt, und eine Bilanz des wieder abgeschiedenen Materials.
• Kürzere Rechenzeiten. Der Feldlöser rechnet in einem eigenen Prozess, und das Programm bleibt während eines Laufs bedienbar. Die Lösertoleranz wandert mit der Konvergenz mit, der Umladungsdurchgang nutzt alle Kerne, und der Restgaslauf braucht ein Zehntel der früheren Zeit. Parameterstudien rechnen mehrere Punkte gleichzeitig, und der Programmstart dauert nur noch halb so lang.
• Auswertung und Bildausgabe. Ein Messcursor liest Werte in den Schnitt- und Oberflächenbildern ab. Jeder Ergebnisreiter nennt, aus welchem Rechenschritt sein Bild stammt, und gibt seine Zahlen auf Knopfdruck als Tabelle heraus. Ein eigenes Exportfenster für Veröffentlichungen erlaubt frei gesetzte Beschriftungen und gibt Bild- wie Vektorformate aus; Feldlinien und Äquipotentiallinien sind als Darstellung hinzugekommen.
• Beispielaufbauten und Vergleichsrechnungen. Mitgeliefert wird ein frei entworfener Dreigitterstapel in vier Ausführungen, mit dem sich die Software ohne eigene Geometriedaten erproben lässt. Für die Validierung sind Aufbauten nach veröffentlichten Arbeiten hinzugekommen, darunter eine hexagonale Einheitszelle für Xenon und Krypton sowie ein Vergleich mit einem 2500-Stunden-Dauerlauf.

Neuerungen in Version 1.2.1

Der Rechenkern der dreidimensionalen Simulation ist unverändert geblieben; bestehende Setups und Ergebnisse aus 1.1.1 lassen sich weiterhin öffnen. Die HPC-Anbindung ist wie bisher nicht Teil des Installationspakets.

• Zweidimensionaler Rechenmodus. IONTRACE rechnet jetzt wahlweise dreidimensional oder translationssymmetrisch in zwei Dimensionen. Der 2D-Modus ist keine zweite Software, sondern eine Rechenart innerhalb desselben Programms: gleiche Oberfläche, gleicher Öffnen-Dialog, gleiche Reiter. Große Gitter lösen deutlich schneller, die Rechnung lässt sich während des Laufs abbrechen, und das Rechengitter kann eingeblendet werden. Als vollständiges Anwendungsbeispiel liegt ein 2D-Modell des 127-Grad-Zylinderanalysators bei.
• Restgas aus den Betriebsdaten der Quelle. Der Neutralgaszustand wird aus Strom, Zufuhr und Wirkungsgrad bestimmt statt aus einer freihändig gesetzten Dichte. Die Betriebsrechnung führt über drei Arbeitsseiten mit Bereitschaftsprüfung, Skizze der echten Geometrie und Genauigkeitsangabe. Die Karte zeigt die örtliche Dichte aus den Geschwindigkeitsmomenten statt eines Mittelwerts.
• Frei drehbare Körper in der Geometrie. Körper lassen sich frei im Raum positionieren und um beliebige Winkel drehen; die Körperform bleibt dabei längentreu. Neu sind Zylindersegment, Halbzylinder und gekrümmte Elektroden. Zusammengesetzte Körper dürfen ein eigenes Potential bekommen, und die Schnittebene lässt sich um 90 Grad drehen.
• Genauere Erosions- und Lebensdauerrechnung. Der Aperturradius wird aus der offenen Fläche bestimmt statt aus einer Schwelle; das beseitigt einen systematischen Versatz von knapp drei Mikrometern. Neben dem Ringmittel steht jetzt der Abtrag am tiefsten Punkt – das Ringmittel allein verdünnt lokale Grubenbildung erheblich. Die Abtragsfläche wird zwischen Ausgangs- und Endkontur dargestellt, und der Erosionsverlauf lässt sich als Video schreiben.
• Parameterstudien und Flugzeitpfad. Auch eine freie Spannung ohne hinterlegte Formel kann als Studiengröße durchgefahren werden; einzelne Parameterpunkte lassen sich gezielt ansehen, und fehlgeschlagene Varianten nennen einen benannten Grund statt einer Nummer. Die Reiter des Flugzeitpfades hängen wieder am Flugzeitergebnis, und die Linien des Flugzeitspektrums stehen zusätzlich in einer Tabelle.
• Überarbeiteter Bildexport. Titel, Legende und Farbskala lassen sich im Exportbild mit der Maus setzen. Maßstäblich gezeichnete Feldbilder stehen mittig statt am rechten Rand, Feldlinien und Pfeile richten sich nach der gewählten Farbpalette, und die Leinwand wird nicht mehr aufgebläht.
• Durchgehende Diagnose. Kein Programmende bleibt ohne Diagnoseeintrag: Jede Sitzung schreibt einen eigenen Ordner mit Herzschlag und Abschlussmeldung. Ein externer Aufpasser erkennt hängende Sitzungen, startet aber von sich aus nichts neu und beendet nichts. Eine Belastungsprüfung mit 472 Einzelprüfungen wurde bestanden.

Neuerungen in Version 1.1.1

• Neuer Exportdialog für alle Abbildungen. Jede Grafik wird über denselben Dialog gespeichert: links eine Vorschau dessen, was tatsächlich in die Datei geschrieben wird, rechts die Einstellungen. Größe und Schrift werden in Zentimetern und typografischen Punkten festgelegt und hängen damit nicht mehr von Fenstergröße, Bildschirmauflösung oder Anzeigeskalierung ab. Die eingetragenen Maße sind verbindlich: 16 × 11 cm ergeben eine Datei mit 16 × 11 cm.
• Fehlerhafte SVG- und EPS-Dateien behoben. In SVG bleiben die Beschriftungen jetzt wählbarer Text statt reiner Umrisse; EPS erhält den vorgeschriebenen Dateiabschluss und eine geprüfte Bounding Box. Transparenz, die EPS nicht darstellen kann, wird wahlweise gegen den Hintergrund verrechnet oder gerastert — statt stillschweigend deckend gezeichnet zu werden. Überlange Achsenbeschriftungen werden in keinem Format mehr abgeschnitten.
• Exportprofile und Standardwerte. Einstellungen werden je Dateiformat gemerkt; eigene Profile lassen sich anlegen, umbenennen, ein- und ausgeben sowie als Standard für ein Format oder eine Diagrammart festlegen. Mitgeliefert sind Profile für einspaltige und zweispaltige Veröffentlichungen sowie für Präsentationen.
• Auswählbare Bildinhalte. Titel, Legende, Elektroden- und Potentialbeschriftungen sowie Hinweistexte lassen sich für den Export einzeln ein- und ausblenden, ohne die Darstellung im Programm zu verändern.
• Überarbeiteter Ergebnisbereich der Parameterstudien. Der Platz gehört jetzt dem Diagramm: eine schmale Werkzeugspalte mit den Umschaltern Kurven, Darstellung und Analyse, eine zweizeilige Kopfzeile mit Studienauswahl und Zustand, lesbare Kurvennamen und ein Exportmenü.
• Fortschrittsmonitor für Parameterstudien. Während eines Laufs entsteht die Kennlinie live: Elektrodenströme über dem variierten Parameter, dazu eine Variantentabelle mit Status, Rechenzeit und Fehlermeldungen sowie eine Restzeitschätzung.
• Abgeschnittene Beschriftungen in den Seitenleisten behoben; ihre Breite richtet sich jetzt nach dem Inhalt und wächst mit der Schriftgröße und der Windows-Anzeigeskalierung mit.

Neuerungen in Version 1.1.0

• Deutlich beschleunigte Feldberechnung durch einen parallelisierten AMG-Löser.
• Optimierte Speicherverwaltung und schnellere Verarbeitung der Teilchenbahnen.
• Verbesserte Laufzeitdiagnostik und zahlreiche Stabilitäts- und Detailverbesserungen.

Nutzung und Lizenz. IONTRACE darf von Hochschulen und öffentlich getragenen Forschungseinrichtungen unentgeltlich für nichtkommerzielle wissenschaftliche Zwecke verwendet werden. Jede kommerzielle Nutzung erfordert die vorherige schriftliche Genehmigung des Autors. Maßgeblich sind die dem Installationspaket beigefügten Lizenzbedingungen.

Installationspasswort erforderlich. Die Installationsdatei kann frei heruntergeladen werden; für die Installation wird jedoch ein Passwort benötigt. Dieses erhalten Sie auf Anfrage per E-Mail an Kristof.Holste@physik.jlug.de. Bitte nennen Sie dabei kurz Ihre Institution und den vorgesehenen Einsatz von IONTRACE.

Hinweis zur Windows-Installation. Das Installationsprogramm ist derzeit nicht digital signiert. Windows kann deshalb beim Start eine Warnung über eine unbekannte oder nicht erkannte Anwendung anzeigen. Über „Weitere Informationen“ und anschließend „Trotzdem ausführen“ kann die Installation fortgesetzt werden.