二次電子放出

二次電子放出（SEE）は、表面へ吸収された粒子のエネルギーと入射角から電子を生成するモデルです。 入射種に放出条件、放出先の種に温度を指定すると、BEACH は二次電子を同じバッチの凍結場で追跡します。 表面の反作用電荷と、帰還・脱出を含む収支を確認できます。

何を解くか

入射粒子の質量を $m$、速度を $\mathbf v$ とし、エネルギー $E=m|\mathbf v|^2/(2e)$ を eV で求めます。 入射側を向く単位法線を $\hat{\mathbf n}$ とし、$c=\max(0.1,-\mathbf v\cdot\hat{\mathbf n}/|\mathbf v|)$ を使います。 whipple の収率は

$$\delta = \frac{1.114\delta_{max}}{c}\left(\frac{E_{max}}{E}\right)^{0.35} \left[1-\exp\left(-2.28c\left(\frac{E}{E_{max}}\right)^{1.35}\right)\right]$$

です（Whipple 1981; Marchand et al. 2014, 式 (2)）。$E\le0$ では収率を 0 にします。 constant は入射エネルギー・角度に依存せず const_yield を使い、イオンにも指定できます。

仮定

放出マクロ粒子数は $\delta|q_{in}/q_{see}|$ の整数部と、端数を確率とする Bernoulli の和です。 各二次電子は入射粒子の重み $w_{in}$ を受け継ぎます。速度は光電子と共有するサンプラーで生成し、 法線成分は束で重み付けした半 Maxwell 分布、接線成分は平均 0 の Gauss 分布（$6\sigma$ 打ち切り）です。 法線方向の drift は 0、温度は放出先の種の設定を使います。

BEACH での扱い

入射の吸収電荷に加え、実際に放出した二次電子ごとに逆符号の反作用電荷を記録します。

入射粒子を吸収して $q_{in}w_{in}$ を衝突要素へ置いた後、二次電子を衝突点から法線方向へ $10^{-12}$ m ずらして生成します。 周期座標はセル内へ戻します。二次電子 1 個ごとに同じ要素へ $-q_{see}w_{in}$ を必ず置き、 放出電荷と反作用電荷を相殺します。光電子の放出電荷チャネルを共有します。

生成粒子は世代ごとに追加して同じ凍結場で追跡し、吸収、脱出、step 上限の判定へ含めます。 二次電子自身の再吸収にも放出条件を指定できます。一次粒子を世代 0 とし、設定した世代上限に達した粒子は さらに放出せず、放出するはずだった個数を診断へ記録します。その分の反作用電荷は置きません。 乱数は seed とバッチ・rank・親粒子・step・世代・放出順から決まり、thread 数や実行順序には依存しません。

外部シースを使う場合は SEE 種を sheath.species.secondary_electron に指定します。SEE は光電子と同じ 上端障壁（Type A は $\phi_m$、B/C は 0 V）と、周期セルの面内一様帰還を使います。 外部根に専用の SEE 項は加えず、PE と SEE の上端流出スペクトルを合算します。 規格化と固定電流の配分は 外部シースの定常解を参照してください。 初期根は PE の表面半 Maxwell 源だけで解き、PE なしなら源 0 の Type C から始めます。SEE は最初の更新から入ります。

設定

世代上限は particles.secondary_emission.max_generations（既定 3、0 以上）で指定し、一次粒子を世代 0 とします。

既存の入射種へ、次の差分を加えます。

[particles.species.surface_interaction.secondary_emission]
enabled = true
model = "whipple"
yield_max = 1.5
energy_max_ev = 500.0
target_species = "secondary_electron"

放出先は独立した粒子源を持たない種にします。

[[particles.species]]
species_key = "secondary_electron"
charge_c = -1.602176634e-19
mass_kg = 9.1093837139e-31

[particles.species.source]
mode = "secondary_emission"

[particles.species.distribution]
temperature_ev = 2.0

[particles.species.boundary]
z_high = "open"

sampling.*、inflow.*、放出電流密度、光線数、charging.closure は省略します。 全キーの既定値・制約は 入力パラメータを参照してください。 完全な設定は zero_current_secondary.toml と 夜側の zero_current_no_photo_secondary.toml にあります。

確認する出力

secondary_emission_history.csv は受理バッチごとに入射種の命中数、放出個数・電荷、平均収率、世代上限で抑えた個数を記録します。 summary.txt は累積値を、charge_ledger.csv は SEE 種の放出・再吸収・脱出を記録します。 外部根を更新する場合は matching_plane_history.csv の secondary_share と secondary_budget_residual_a_m2 を確認します。列の単位と定義は 出力リファレンスにあります。

適用範囲

材質や mesh_id によるパラメータの違い、弾性・非弾性反射、表面導電は含みません。 入射角の下限 0.1 は暫定の発散回避であり、斜入射での材質応答を保証しません。 外部根の脱出束は PE と SEE の合算に対する値です。PE があれば SEE は完全に追跡し、各バッチで追跡した SEE の脱出電流を 差し引いた残りを PE の脱出・帰還目標にします。PE がなければ SEE の帰還・脱出を根の帰還束・脱出束に固定し、放出の 反作用電荷を根に与えた外側源（追跡した H 外向き束の窓平均）に揃えます。放出量そのものは追跡で決まり、根は予測しません。 表面収支はどちらも毎バッチ閉じ、secondary_budget_residual_a_m2 は閉じられなかった分（PE あり: SEE の脱出が根の 脱出束を超えた分、PE なし: SEE が放出されなかったバッチの根の脱出分）だけを記録します。 SEE の放出個数は追跡した衝突から決まり、入射種の fixed_current の倍率は掛かりません。 fixed_current / neutral_return を SEE 種へ指定すると設定エラーです。 粒子はバッチ内で完結し、次のバッチへ飛行状態を持ち越しません。

負荷見積もりは独立した注入源だけを数え、衝突時の SEE 生成を除外します。 SEE 有効時は secondary_emission_scope=excluded_collision_generated_particles と表示します。