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。     

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。     

考虑参数不确定性的高空电磁脉冲E1分量环境计算及分析

高空电磁脉冲的早期分量幅值高、频谱宽、分布范围广,是高空核爆的电磁效应的重要组成部分。分析了国内外高空电磁脉冲早期分量仿真计算法的研究进展,并选取基于高频近似并考虑电子与电磁场自洽作用的EXEMP算法进行详细介绍,通过数值计算结果总结了高空电磁脉冲的时域波形和空间分布随场源当量、爆高等参数变化的规律,与IEC标准约定的波形时域和空间特征一致。针对HEMP计算中部分参数的不确定性,分析参数取值偏差和波动对电磁脉冲计算结果的影响,使用多项式混沌方法联合Sobol全局敏感度指标对其进行不确定量化,得到电磁脉冲关键值可能分布的上下界、分布的概率密度等信息,分析各参数在特定取值范围内对电磁脉冲特征参数的影响及联合影响。     

基于JASMIN并行框架的2.5维粒子模拟程序NEPTUNE2D的研制

介绍了2.5维自主研制的并行电磁粒子模拟程序NEPTUNE2D初步研发情况。该程序基于JASMIN并行自适应结构网格支撑框架研制,并行效能高,可扩展性强,且支持动态负载平衡;采用新型PIC算法替代传统算法,避免求解泊松方程修正电场,更适用于大规模并行计算;程序支持r-z坐标系下的器件仿真,可应用于高功率微波器件、电真空器件的快速模拟设计。该程序现已完成电磁场更新、粒子推进、电磁场注入/引出、粒子发射/吸收等基本物理功能模块的研制,并通过同轴线、圆波导、同轴二极管及无箔二极管算例模拟验证了模块的正确性。最后,应用NEPTUNE2D程序设计了一个高效同轴相对论返波管,给出了粒子模拟结果和并行性能测试结果。     

基于JASMIN并行框架的2.5维粒子模拟程序NEPTUNE2D的研制北大核心CSCD

介绍了2.5维自主研制的并行电磁粒子模拟程序NEPTUNE2D初步研发情况。该程序基于JASMIN并行自适应结构网格支撑框架研制,并行效能高,可扩展性强,且支持动态负载平衡;采用新型PIC算法替代传统算法,避免求解泊松方程修正电场,更适用于大规模并行计算;程序支持r-z坐标系下的器件仿真,可应用于高功率微波器件、电真空器件的快速模拟设计。该程序现已完成电磁场更新、粒子推进、电磁场注入/引出、粒子发射/吸收等基本物理功能模块的研制,并通过同轴线、圆波导、同轴二极管及无箔二极管算例模拟验证了模块的正确性。最后,应用NEPTUNE2D程序设计了一个高效同轴相对论返波管,给出了粒子模拟结果和并行性能测试结果。     

3.3MeV直线感应加速器的电子束传输研究

采用SLAC-226程序,模拟了电子束在3.3MeV加速器中的加速与传输过程,并与从电子束传输的层流近似出发所推导的边包络方程解进行了比较。程序和包络方程都考虑了束流的自生电磁场及外加电磁场。     

AstroGK: Astrophysical gyrokinetics code

The gyrokinetic simulation code AstroGK is developed to study fundamental aspects of kinetic plasmas and for applications mainly to astrophysical problems. AstroGK is an Eulerian slab code that solves the electromagnetic gyrokinetic-Maxwell equations in five-dimensional phase space, and is derived from the existing gyrokinetics code GS2 by removing magnetic geometry effects. Algorithms used in the code are described. The code is benchmarked using linear and nonlinear problems. Serial and parallel performance scalings are also presented.     

电子回旋共振放电电离特性的PIC/MCC模拟

A theoretical and computational model is presented to study the ionization of the argon electron cyclotron resonance(ECR)microwave discharge using a quasi-three-dimensional electromagnetic particle-in- cell plus Monte Carlo collision method.The interaction between the charged particles and microwave fields are described by the electromagnetic mode of particle-in-cell method.The collision processes are treated with Monte Carlo method.The simulation code is the original work.The results of the particle simulation for the ECR discharge of argon gas which include the microscopic features of charged particles and the electromagnetic characteristics of the ECR discharge plasma,and also the transient phenomena have been presented.     

高峰值功率多注速调管电子光学系统的研究

 分析了存在于高峰值功率多注速调管电子光学系统中的问题。采用间接设计方法设计了S波段50 MW多注速调管的电子光学系统。设计中采用分立屏蔽筒结构解决电子枪区聚焦场的旁轴对称问题。利用2维电子光学软件EGUN、3维电磁模拟软件MAFIA和PIC粒子模拟程序对电子轨迹进行了模拟,结果表明：分立屏蔽筒结构可以获得较好的旁轴对称场,电子光学系统的电子轨迹比较理想。     

高峰值功率多注速调管电子光学系统的研究

分析了存在于高峰值功率多注速调管电子光学系统中的问题。采用间接设计方法设计了S波段50 MW多注速调管的电子光学系统。设计中采用分立屏蔽筒结构解决电子枪区聚焦场的旁轴对称问题。利用2维电子光学软件EGUN、3维电磁模拟软件MAFIA和PIC粒子模拟程序对电子轨迹进行了模拟,结果表明：分立屏蔽筒结构可以获得较好的旁轴对称场,电子光学系统的电子轨迹比较理想。     

Frequency Response of Multilayer Media Comprised of Double-Negative and Double-Positive Slabs

We present the interactions of the electromagnetic waves with multilayer media formed by double-negative and double-positive slabs to find the frequency response of the structure. The double-negative slabs are analytically realized by using the frequency dispersive cold plasma medium. Numerical examples are performed using an in-house developed simulation programme code. The variation of the reflectance and the transmittance with the emphasis on the plasma frequencies is observed in these examples.     

Diffraction gratings for short-wave radiation: Modern requirements and achievements

Recent achievements in the field of making and certifying gratings for the soft X-ray and extreme ultraviolet regions are described, including those intended for space flights and having new or record characteristics of diffraction efficiency. The diffraction efficiency of gratings is investigated both by computation using the electromagnetic PCGrate® code with realistic data for layers, and by measurements using synchrotron radiation.     

3维并行全电磁粒子模拟软件UNIPIC-3D

介绍了自行研制的3维并行全电磁粒子模拟软件UNIPIC-3D。在该软件中,电磁场量用二阶精度的时域有限差分方法迭代,粒子用相对论牛顿-洛仑兹力方程推进。该软件拥有复杂器件的几何建模和网格自动剖分的功能,具有模拟相对论返波管、虚阴极振荡器、磁绝缘线振荡器等高功率微波器件的能力。且该软件具有强大的后处理功能,可以显示电场、磁场、电流、电压、功率、频谱、粒子相空间等。在高性能并行计算机上对软件的并行效率进行了测试。通过与2.5维UNIPIC软件的结果进行比较,验证了UNIPIC-3D软件的正确性。     

3维全电磁粒子软件NEPTUNE中的并行计算方法

介绍了NEPTUNE软件采用的一些并行计算方法：采用“块-网格片”二层并行区域分解方法,使计算规模能够扩展到上千个处理器核。基于复杂几何特征采用自适应技术并行生成结构网格,在原有规则区域的基础上剔除无效网格,大幅降低了存储量和并行执行时间。在经典的Boris和SOR迭代方法基础上,采用红黑排序和几何约束,提出了非规则区域上的Poisson方程并行求解方法。采用这些方法后,当使用NEPTUNE软件模拟MILO器件时,可在1 024个处理器核上获得51.8%的并行效率。     

3维并行全电磁粒子模拟软件UNIPIC-3D

介绍了自行研制的3维并行全电磁粒子模拟软件UNIPIC-3D。在该软件中,电磁场量用二阶精度的时域有限差分方法迭代,粒子用相对论牛顿-洛仑兹力方程推进。该软件拥有复杂器件的几何建模和网格自动剖分的功能,具有模拟相对论返波管、虚阴极振荡器、磁绝缘线振荡器等高功率微波器件的能力。且该软件具有强大的后处理功能,可以显示电场、磁场、电流、电压、功率、频谱、粒子相空间等。在高性能并行计算机上对软件的并行效率进行了测试。通过与2.5维UNIPIC软件的结果进行比较,验证了UNIPIC-3D软件的正确性。     

Performance evaluation of a WDM/OCDM based hybrid optical switch utilizing efficient resource allocation

A hybrid optical switch （HOS） with physical layer of wavelength division multiplexing and optical code division multiplexing （WDM/OCDM） scheme is proposed. An additional feature to the HOS than optical cross connect （OXC） is that the controller can process requests for both circuit establishment and burst scheduling. In our study, the measurement criteria of HOS are the blocking probability, probability of error, and probability of outage. To simplify the analysis, no distinction is made between a circuit in progress and a burst in progress. Moreover, a minimum fit （MinF） resource allocation strategy is applied in order to increase the bandwidth efficiency and control the multiplexing interference of the OCDM. A 2D Markov model for the HOS is presented using the MinF strategy. Numerical results reveal that the code parameters and the resource allocation strategy greatly affect the performance. Certain periority can be achieved by assigning shorter codes to high periority users and longer codes to low periority users. Also, the probability of error and outage are reduced bv aonling the MinF strategy.     

FDFD: A 3D Finite-Difference Frequency-Domain Code for Electromagnetic Induction Tomography

A new 3D code for electromagnetic induction tomography with intended applications to environmental imaging problems has been developed. The approach consists of calculating the fields within a volume using an implicit finite-difference frequency-domain formulation. The volume is terminated by an anisotropic perfectly matched layer region that simulates an infinite domain by absorbing outgoing waves. Extensive validation of this code has been done using analytical and semianalytical results from other codes, and some of those results are presented in this paper. The new code is written in Fortran 90 and is designed to be easily parallelized. Finally, an adjoint field method of data inversion, developed in parallel for solving the fully nonlinear inverse problem for electrical conductivity imaging (e.g., for mapping underground conducting plumes), uses this code to provide solvers for both forward and adjoint fields. Results obtained from this inversion method for high-contrast media are encouraging and provide a significant improvement over those obtained from linearized inversion methods.     

融断开关等离子体中磁场的异常渗透

简单地介绍了柱坐标粒子模拟算法及实现,利用粒子模拟方法对等离子体融断开关导通过程中的磁场渗透问题进行了模拟计算,针对不同的模拟条件出现的模拟结果进行了理论分析,给出了合理的物理解释。     

电子回旋共振放电的电离特性PIC/MCC模拟(Ⅱ)——数值模拟与结果讨论

采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法，应用电磁模型，编写了准三维的电子回旋共振(ECR)放电电离过程的模拟程序，得到了ECR放电过程中电子与离子的相空间分布、电磁场分布.通过对这些分布随时间演化的分析，得出ECR加热发生在ω≈ω_c0且垂直于轴向的区域；ECR区域，微波能量几乎全部耦合给电子，获得能量的电子通过与中性粒子的电离碰撞产生了大量的带电粒子；随着放电的进行，大量带电粒子通过频繁的碰撞，分布由各向异性逐渐趋于各向同性. 关键词： 电子回旋共振放电 粒子模拟 蒙特卡罗 电离     

用于太赫兹源粒子模拟的有限电导率模块研制

针对THz频段微电真空器件波导壁面材料电导率及加工粗糙度引发损耗的模拟需求,研制了有限电导率模块,并将其添加进三维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D。介绍了有限电导率的时域有限差分显格式及时谐场近似解方法,针对上述方法的优缺点,提出了基于扩散方程隐格式的有限电导率模块算法,该算法具备无条件稳定、普适性好的优点。利用矩波导常见电磁波模传输损耗算例,测试了自编的有限电导率模块,测试结果与理论值及同类商业电磁软件计算结果进行了比对,验证了模块的可靠性。利用添加有限电导率的三维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE3D,模拟了材料电导率以及表面粗糙度对0.22 THz折叠波导行波管性能的影响,模拟结果表明,材料电导率及表面粗糙度会显著降低器件输出功率和增益水平。综合色散关系、耦合阻抗、衰减常数等因素,给出了器件结构参数设计建议,并指出：通过增加电子束流、注入信号功率以及慢波结构周期数目等方式可一定程度上提高器件输出功率水平。