电荷交换单元通常用作获得中和粒子中和束的一种方式。在这篇博客文章中，我们介绍了一个简单的电荷交换单元的模型，并分析了其中和效率。
电荷交换单元格如何工作？
在许多应用中，各种能量的中性粒子梁是包括医学，科学仪器的设计和材料处理的重要元素。为了将中性颗粒加速至极高的速度，我们可以将注意力转向电荷交换单元的作用。
一个充电交换单元是指放置在离子束路径中的高密度气体区域。在该区域，来自光束的快速离子可以与背景气体进行电荷交换反应。这会导致离子被中和，从而在细胞的末端形成中性粒子束。
让我们进一步分解这个过程，从充满中性氩气的电荷交换单元开始。随着质子通过这种介质加速，它们能够从可用的氩原子中拾取电子。这种组合会产生一个中性氢原子，该原子迅速从细胞中传播，并缓慢移动氩离子。但是，捕获电子的可能性相对较小。因此，许多带电的颗粒在梁离开电池时仍然可以保留在光束中。
那么，如何通过此过程实现完全中性的光束呢？一种方法是在光束到达目标之前使用一对带电的板来偏转质子。使用仿真，我们可以研究气体和带电板在中和过程中的作用。
电荷交换细胞中和过程。
建模电荷交换反应
这电荷交换单元模型用于进行光束中和过程分析。这个模型需要分子流块模块和粒子跟踪模块。
电荷交换电池模型具有真空系统中的圆柱气电池。中性氩气由牢房中心的淋浴头环提供。淋浴喷头包括控制细胞中性气体密度的微通道，在仪器的主真空系统中产生高压区域。这游离分子流界面用于计算气电池内氩气的数量密度和压力。
电荷交换单元内压力的表面图。
在此示例中，电荷板表示为两个块。上板的施加电势为200 V，而下板保持接地。这静电界面用于计算板之间的电势，然后将其用于偏转离子。
为了建模接入离子束与中性气体的碰撞，带电的粒子跟踪使用接口。该界面包括一种弹性碰撞力，该碰撞将其计算出的气体密度游离分子流接口并使用它来确定碰撞频率。
中和效率
下图显示了粒子穿过电荷交换单元时的轨迹。深灰色线表示离子的轨迹，其电荷数为1。浅灰色线表示中性颗粒的轨迹，中性颗粒的电荷数为0。
模型中的粒子轨迹。该图像突出显示了某些离子在退出细胞之前如何经历电荷交换反应。
还可以评估击中特定边界的颗粒总数。通过比较将接地板的颗粒数与模型中颗粒总数进行比较，我们可以估计气体的中和效率。在这种情况下，中和效率确定为约13.8％。请注意，由于离子和中性之间的电荷交换反应随机发生，因此该值在不同的模型运行中可能会略有不同。
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