粒子模拟中的时偏FDTD算法

给出一种能自动对高频噪声进行过滤的时域有限差分(FDTD)算法,称为时偏FDTD算法.在中心差分FDTD算法的基础上,引入时间偏置和松弛迭代处理,得到该算法的计算公式,并进行稳定性与收敛性分析.通过对相对论磁控管的计算,与中心差分FDTD算法比较,验证了该算法的滤波特性.     

粒子模拟中的电磁场算法

研究了粒子模拟中的中心差分、时偏及高品质因数时域有限差分电磁场算法,分析了相应的数值噪声机理。着重探讨了时偏及高品质因数算法对高频噪声的滤波特性,给出了这两种算法的适用范围。通过对相对论返波管的计算,将3种算法的计算结果进行了比较,进一步验证了时偏及高品质因数算法对高频数值噪声的滤波特性。     

各向异性磁等离子体的辅助方程FDTD算法

通过对辅助方程的差分迭代，给出了一种新的各向异性磁化等离子体的辅助方程时域有限差分(FDTD)算法.并与电流密度卷积(JEC)算法进行了比较.通过计算磁化等离子体平板对平行于磁场传播的电磁波的反射和透射系数，验证了该算法的精度与JEC算法基本相同，而计算效率提高数倍. 关键词： 色散介质 时域有限差分算法 各向异性 磁化等离子体     

三维电磁粒子模拟并行计算的研究

三维电磁粒子模拟基于时域有限差分算法（FDTD）和PIC（particle-in-cell）方法.根据FDTD和PIC方法的特点,可以将整个模拟区域分割为多个子区域,每个计算进程模拟计算一个子区域,通过消息传递交换子区域的边界数据从而实现并行计算这一基本思路,完成了并行算法的设计,并分析了并行加速比的影响因素.在三维电磁粒子模拟软件CHIPIC3D上实现了该并行算法并验证了算法的正确性,最后应用CHIPIC3D并行版本对磁绝缘线振荡器和相对论速调管两种典型的高功率微波源器件进行了模拟,证明了该并行算法能取 关键词： 电磁粒子模拟 时域有限差分 并行计算 高功率微波源     

瞬变电磁场模拟中的CPML吸收边界条件

提出用于瞬变电磁法(TEM)模拟的时域有限差分(FDTD)算法中的卷积完全匹配层(CPML)吸收边界条件.首先,在磁场散度方程显式处理条件下,计算磁场z分量时,构造出一种计算时域卷积项的方法,并详细推导计算磁场z分量的表达式.而后,对均匀半空间模型进行数值计算.结果表明,提出的CPML吸收边界条件在保证计算精度的前提下,实现了瞬变电磁法时域有限差分高效正演计算.     

等离子体的分段线性电流密度递推卷积FDTD算法

给出了一种新的色散介质的时域有限差分(FDTD)算法，称为分段线性电流密度递推卷积FDTD算法.利用电流密度和电场强度的卷积关系，给出了该算法的计算公式.通过计算碰撞冷均匀等离子体平板对电磁波的反射系数和透射系数，验证了该算法的高效性和高精度. 关键词： 色散介质 FDTD算法 电磁波     

各向异性磁化等离子体的SO-FDTD算法

给出了一种新的计算各向异性磁化色散介质的有限差分(FDTD)算法，称为移位算子FDTD(SO-FDTD)算法，它利用算子之间的移位递推关系，将一类色散介质的包含介电常数的表达式写成有理分式函数形式，进而导出FDTD中一系列相关量之间的关系.通过计算各向异性等离子体平板对电磁波的反射系数和透射系数，验证了该算法的高效性和高精度，与JEC算法相比，可使计算效率提高数倍. 关键词： 磁化等离子体 电磁波 FDTD方法 各向异性     

薄膜光学常数的粒子群算法

为解决椭偏法测量薄膜厚度和折射率实验数据处理较为复杂的问题,采用一种新的基于群体智能的优化算法——粒子群算法处理实验数据.以单层吸收薄膜的测量为例,利用该算法进行数据处理.实验结果表明,可以同时获得3个薄膜参数(折射率n,消光系数k和薄膜厚度d),而且在确切参数范围未知情况下,大范围内进行搜索仍然能保证快速收敛到最优解.该算法与遗传算法以及利用椭偏仪数据处理软件得出的结果相比较,计算精度高,收敛速度快.     

声速不均匀介质热声成像的声场仿真

为了精确表示声速不均匀介质热声成像的声场,提出了一种时域有限差分(FDTD)仿真方法.先用FDTD将热声成像的基本方程离散化,给出描述热声成像的离散差分方程;再对电磁波脉冲进行两次修正,以消除高频电磁波引入的计算误差.计算机仿真研究的结果表明:当介质声速不均匀时,FDTD仿真方法其准确度高于目前常用的飞行时间法.在仿真实验条件下,当介质的声速差异大于50%时,FDTD法的误差比飞行时间法小十倍以上.可见,FDTD方法是一种有效的热声成像声场仿真方法,可以为声速不均匀介质热声成像算法的研究提供理论基础.     

用FDTD计算各向异性磁化等离子体涂敷二维目标的RCS

采用z变换方法把时域有限差分方法(FDTD)推广应用于二维各向异性色散介质—磁化等离子 体中，该算法同时解决了电磁波在各向异性和频率色散介质中传播的计算问题，给出了各向 异性磁化等离子体中FDTD迭代公式.计算了各向异性磁化等离子体涂敷导体圆柱前后其雷达 散射截面(RCS)的变化情况，分析了等离子体碰撞频率和电子回旋频率对其RCS的影响. 关键词： 时域有限差分方法 各向异性磁化等离子体     

等离子体微带开关特性

提出一种基于微放电等离子体的微带开关。它是以“时变等离子体”取代微带线射频微机电开关的“金属悬臂”,利用等离子体的导体或介质特性使电磁波沿其表面进行传输或截止,从而实现微带线上电磁波传输的动态控制。等离子体微带开关的基本结构包括用以隔断电磁波的微带间隙和产生片状等离子体的放电装置。放电产生时,电磁波因等离子体导体性通过开关,形成“开”状态;放电停止后,电磁波被微带间隙反射,形成“关”状态。利用CST软件仿真研究了等离子体开关特性,结果表明:这种开关的带宽由等离子体密度决定,隔离度由间隙决定,而工作插损与等离子体密度和电子碰撞频率有关。等离子体位形（宽度、厚度等）对于开关性能也非常重要。     

粒子模拟中激励源的一种等效设置方法

 基于计算电磁学中对强迫激励源消除虚假反射的算法分析，提出了用等效电流和等效磁流在FDTD公式中引入电场激励源和磁场激励源的方法。从粒子模拟方法的基本方程和迭代公式出发，分析了激励源的引入过程，推导出激励源所等效的电流项和磁流项表达式，实现了新的激励源设置方法，并进行了数值验证和结果讨论。研究表明：这类等效模型与标准FDTD公式能紧密结合，引入非常方便；不必专门设置一个附加的散射场区来处理散射场的计算，大大节省了计算时间和计算内存，比常规总场/散射场体系方法的效率高20%以上，对粒子模拟这类耗时的计算较为适用。通过对2维柱坐标系下相对论速调管放大器(RKA)的模拟，证明了此类激励源设置方法的实用性。     

电子激励表面等离极化激元的粒子模拟

采用极化电流微分方程,对贵金属中自由电子与外电场的共振过程进行描述。将该微分方程与麦克斯韦方程相结合,运用时域有限差分(FDTD)方法,在粒子PIC模拟软件CHIPIC3D的基础上,实现了电子激励表面等离极化激元(SPPs)的模拟。通过对100 keV电子平行于银薄膜表面运动、激励起表面等离极化激元的模拟,观测并分析了SPPs的场强及模式在银薄膜表面的分布,并验证了模拟结果的正确性。     

3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE

 介绍了自主编制的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE的基本情况。该程序具备对多种典型高功率微波源器件的3维模拟能力,可以在数百乃至上千个CPU上稳定运行。该程序使用时域有限差分(FDTD)方法更新计算电磁场,采用Buneman-Boris算法更新粒子运动状态,运用质点网格法（PIC）处理粒子与电磁场的耦合关系,最后利用Boris方法求解泊松方程对电场散度进行修正,以确保计算精度。该程序初步具备复杂几何结构建模能力,可以对典型高功率微波器件中常见的一些复杂结构,如任意边界形状的轴对称几何体、正交投影面几何体,慢波结构、耦合孔洞、金属线和曲面薄膜等进行几何建模。该程序将理想导体边界、外加波边界、粒子发射与吸收边界及完全匹配层边界等物理边界应用于几何边界上,实现了数值计算的封闭求解。最后以算例的形式,介绍了使用NEPTUNE程序对磁绝缘线振荡器、相对论返波管、虚阴极振荡器及相对论速调管等典型高功率微波源器件进行的模拟计算情况,验证了模拟计算结果的可靠性,同时给出了并行效率的分布情况。     

速调管离子噪声特性的模拟分析

 离子噪声已成为影响现代微波管性能的一个重要因素，采用一维混合模型研究了速调管的离子噪声，用自编的1维粒子模拟程序对速调管的离子噪声特性进行了分析。采用小信号近似，从理论上推导出了速调管离子噪声与相位畸变关系的表达式，表明微波管相位噪声直接来源于管内离子量的变化。模拟了有离子噪声时速调管的相位特性，对模拟过程做了离子诊断并与实验结果进行比较，证明了模拟过程的正确性。探讨了电子束电流、电压以及聚焦磁场对离子噪声的影响规律，束电流与束电压改变后，离子噪声的周期与大小相应改变，增大束电流，离子噪声幅度会下降，并趋于稳定，而在束电流不变的情况下，离子噪声存在一个最小值。束电流与束电压确定，存在最佳的磁场使离子噪声幅度最小。     

Modelling of photonic crystals for the design of photonic device based on SOI substrate

In this paper, we report a photonic integrated circuit (PIC), which consisting of a photonic crystal (PC) coupled by a dielectric waveguide to an optical fibre. The PC consists of a sequence of dielectric rods based on a silicon (Si) strip on a silicon dioxide (SiO₂) layer. The finite-difference time-domain (FDTD) method is reviewed and then used to model and predict the optical and the geometrical parameters used to design the fundamental elements of the PIC. The air gap width and the etching depth of the grooves are characterised. The coupling between the PC, and traditional dielectric waveguides is studied and coupling efficiency is evaluated. Diffractive losses are shown to affect strongly the performances of the proposed PIC. In addition, the effect of the air gap width on the diffractive losses and the coupling efficiency between successive neighbouring silicon sections is analysed. The field profile distribution in the structure is calculated and performed. The effects of an incorporated defect are studied, showing a high quality factor.     

基于负氢离子源的全三维PIC/MCC模拟算法研究

在分析负氢离子源中等离子体物理机理基础下, 研究并优化粒子模拟算法, 设计高效的粒子存储方法. 研究并运用粒子碰撞蒙特卡罗方法, 考虑等离子体势以及带电粒子间库仑碰撞, 研制了全三维粒子模拟/蒙特卡罗算法(PIC/MCC). 采用磁荷模型, 运用时域有限差分方法计算多峰磁场, 并结合国外负氢离子源JT-60U, 考虑负氢离子源中主要反应, 对全三维PIC/MCC模拟算法模拟验证.     

微波管电子枪三维粒子模拟研究

 分析了以往电子光学模型进行电子枪模拟工作过程及存在的缺陷，指出粒子模拟方法能够全面考虑空间电荷限制和温度限制、阴极热初速、电子注非层流性等因素，研究电子注的瞬态和噪声特性，是一种更准确的电子枪模拟方法。以某电子枪为例，运用Mafia PIC模块进行了模拟计算，与实验结果对比表明Mafia粒子模拟具有相当精度，可用于指导微波管电子枪工程设计。     

光电子发射引起的柱腔内系统电磁脉冲的模拟

 用时域有限差分法结合PIC粒子模拟方法，对光电子发射引起的圆柱腔内电磁脉冲现象进行了模拟，并对单能电子发射时电场的空间分布和系统电磁脉冲波形特征进行了分析。利用粒子抽样和间隔时间粒子注入的方法，得到了特定电子发射谱下的计算结果，并与非抽样方法所得的结果进行了比较。计算结果显示，采用该方法后，噪声略有增加，但计算要求的条件大大降低，计算的粒子数有效地减少，适用于3维粒子模拟计算；计算结果还显示，发射电子能谱越高，注量越大，表面电场区与饱和电场区的长度越短。