充填不同气体相对论返波管特性的PIC-MCC模拟

讨论了PIC-MCC方法的基本原理以及在UNIPIC软件中的编程实现,并用该软件模拟了充填不同种类气体在不同气压下相对论返波管的气体电离过程,讨论了所产生的等离子体对电子束的传输以及波束相互作用的影响.给出了返波管输出功率、频率和起振时间随气体种类和气压等参数的变化情况.模拟结果表明,电离产生的阳离子是返波管性能改善的原因,而腔内滞留的低能电子是破坏返波管振荡而引起脉宽缩短的重要因素. 关键词： 蒙特卡罗碰撞 粒子模拟 高功率微波 相对论返波管     

潘宁源放电的全三维电磁粒子模拟/蒙特卡罗碰撞数值算法研究

深入研究潘宁放电的物理机制, 研制了全三维高品质算法粒子模拟软件(PIC), 设计并添加了相应物理情景的蒙特卡罗碰撞模块(MCC), 并对电子、氢分子离子(H₂⁺)、氢正离子(H⁺)、氢三正离子(H₃⁺)同时进行了跟踪, 成功研制了全三维电磁PIC/MCC数值算法. 结合国内研究较热的潘宁放电模型, 对该算法进行模拟验证. 模拟结果显示: 采用有效的滤波算法能抑制电磁数值噪声, 电子能量呈麦克斯韦分布, 由于电子的径向漂移和加速导致离子源顶端H₂⁺产量较大. 关键词： 潘宁离子源 高品质算法 粒子模拟/蒙特卡罗     

非磁化等离子体填充的相对论返波管的粒子模拟

 对非磁化等离子体填充的相对论返波管进行了粒子模拟分析，结果表明在一定的等离子密度范围内，观察到电子注的良好传输，得到了高功率电磁波输出。等离子体密度变化过程中，输出存在有峰值功率点。通过粒子模拟清晰地观察到注、等离子体及波相互作用的物理过程，并且模拟结果解释了部分实验现象。     

非磁化等离子体填充的相对论返波管的粒子模拟

对非磁化等离子体填充的相对论返波管进行了粒子模拟分析,结果表明在一定的等离子密度范围内,观察到电子注的良好传输,得到了高功率电磁波输出。等离子体密度变化过程中,输出存在有峰值功率点。通过粒子模拟清晰地观察到注、等离子体及波相互作用的物理过程,并且模拟结果解释了部分实验现象。     

变阻抗相对论返波管的粒子模拟研究

 设计了一种X波段耦合阻抗单阶跃变型相对论返波管结构,运用2.5维全电磁粒子程序模拟分析了器件中注波互作用过程,仿真了器件效率与电子注参数的依赖关系,得到了器件在500kV,5.5kA电子注驱动下,能辐射出峰值功率800MW,频率为（9.16±0.03）GHz的微波,工作模式为TM₀₁模式,效率为30%。在截止波导与慢波结构之间设置一段长度合适的光滑漂移段,通过改善正向波基波对电子注的初始调制效果,器件最优化效率可进一步提高到38%。     

变阻抗相对论返波管的粒子模拟研究

设计了一种X波段耦合阻抗单阶跃变型相对论返波管结构,运用2.5维全电磁粒子程序模拟分析了器件中注波互作用过程,仿真了器件效率与电子注参数的依赖关系,得到了器件在500kV,5.5kA电子注驱动下,能辐射出峰值功率800MW,频率为（9.16±0.03）GHz的微波,工作模式为TM01模式,效率为30%。在截止波导与慢波结构之间设置一段长度合适的光滑漂移段,通过改善正向波基波对电子注的初始调制效果,器件最优化效率可进一步提高到38%。     

一种补偿时间步长限制的粒子模拟-蒙特卡罗碰撞模型

从碰撞次数的概率分布出发,推导出一种补偿蒙特卡罗碰撞模型,采用以正态分布计算得到的平均碰撞次数作为碰撞概率,来补偿传统方法中忽略的多次碰撞。通过模拟不同折合电场强度条件下He气放电产生电子的运动规律,验证了补偿蒙特卡罗碰撞模型的正确性。计算结果表明:补偿蒙特卡罗碰撞模型可以有效地提高计算效率,特别适用于高气压气体放电现象的粒子模拟。     

基于相对论返波管的全三维PIC/PSO数值优化研究

本文研究了粒子群优化算法(PSO),在全三维粒子模拟(PIC)软件CHIPIC平台上, 设计了PSO优化模块, 成功研制了PIC/PSO代码.接着,研究了多频(包括单频)微波的输出功率特性, 并根据该特性设计了一类目标函数.采用该类型优化目标函数, 分别对单频与双频相对论返波管(RBWO)进行了模拟优化.模拟优化结果显示:随着优化过程的进行, 单频RBWO的频率特性向单频靠近,双频RBWO的频率特性则向等幅双频靠近,它们的输出功率都逐渐增大. 这表明通过控制该类型目标函数参数,该PIC/PSO代码可分别对单频与双频RBWO进行优化. 关键词： 粒子群优化算法 粒子模拟 相对论返波管 双频     

改进的3维粒子模拟并行算法

 提出了两种改进的3维粒子模拟并行算法,改进的并行算法能在每个时间步减少一次进程同步。算法分析和数值模拟表明,由于粒子运动路径和发射的初始位置与随机函数有关,只有一种改进的并行算法能保证并行计算正确。在3维粒子模拟软件CHIPIC3D上实现了改进的并行算法,应用CHIPIC3D对一种相对论返波管进行了并行模拟,模拟结果表明改进的并行算法能取得更高的加速比和效率。     

改进的3维粒子模拟并行算法

提出了两种改进的3维粒子模拟并行算法,改进的并行算法能在每个时间步减少一次进程同步。算法分析和数值模拟表明,由于粒子运动路径和发射的初始位置与随机函数有关,只有一种改进的并行算法能保证并行计算正确。在3维粒子模拟软件CHIPIC3D上实现了改进的并行算法,应用CHIPIC3D对一种相对论返波管进行了并行模拟,模拟结果表明改进的并行算法能取得更高的加速比和效率。     

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.     

Microwave propagation with the gas breakdown

By combining the microwave propagation theory and the gas breakdown theory, the microwave propagation with the gas breakdown is analyzed theoretically. Particle-in-cell/Monte Carlo collision （PIC/MCC） simulations are carried out to verify the theoretical results. Based on this theoretical method, the breakdown phenomenon of the pulse microwave is analyzed. The results show that the product values of the initial electron density and the propagation length are the criterion to distinguish the pulse peak decline breakdown and the pulse width reduction breakdown. Furthermore, the energy transmission is also studied, which shows that the total output energy is approximately independent of the input electric field if the electric field is not extremely large.     

蒙特卡罗碰撞算法在CHIPIC软件中的数值实现

分析离子源中电子所参与的碰撞,利用电子与其它粒子间的空碰撞模型,研究电子之间的库仑碰撞,采用不同的存储和调用机制研制了两种碰撞模型的蒙特卡罗碰撞处理模块,将数值模块添加到粒子模拟软件CHIPIC中,对离子源JAERI 10A进行模拟验证,通过对模拟结果的分析,表明所设计的三维MCC算法正确.     

具有双电子束结构的双波段相对论返波振荡器粒子模拟研究

研究了一种能够同时产生C波段和X波段微波、具有双电子束结构的相对论返波振荡器,采用嵌套式的高频结构将两个波段的束-波相互作用空间隔离开来,从而使两个波段的束-波相互过程互不影响。当二极管电压为650 kV、内外环形电子束流分别为5.4,6.4 kA、导引磁场为2.2 T时,两个波段微波的频率分别为4.625,8.450 GHz,模拟产生的微波功率分别为920,600 MW,转换效率约为21.8%,17.1%。并采用粒子模拟法研究了导引磁场、二极管电压及两个束-波相互作用区关键结构参数对器件运行的影响,给出了双波段微波功率、频率随导引磁场、二极管电压等参数的变化曲线。     

15～20 mA多峰负氢离子源全三维数值模拟

对自主开发的全三维粒子模拟/蒙特卡罗(PIC/MCC)算法进行了阐述,包括算法流程设计、碰撞处理机制等。采用该算法对中国原子能科学研究院研制的15~20mA负氢离子源进行数值模拟研究,结果显示:该多峰会切离子源能得到空间分布均匀的离子束,采用优化后的虚拟过滤场,不仅能有效过滤高能电子,还将导致离子源下游区域低能电子增多,有效提高负氢离子体积产生效率。     

具有双电子束结构的双波段相对论返波振荡器粒子模拟研究北大核心CSCD

研究了一种能够同时产生C波段和X波段微波、具有双电子束结构的相对论返波振荡器,采用嵌套式的高频结构将两个波段的束-波相互作用空间隔离开来,从而使两个波段的束-波相互过程互不影响。当二极管电压为650kV、内外环形电子束流分别为5.4,6.4kA、导引磁场为2.2T时,两个波段微波的频率分别为4.625,8.450GHz,模拟产生的微波功率分别为920,600MW,转换效率约为21.8%,17.1%。并采用粒子模拟法研究了导引磁场、二极管电压及两个束-波相互作用区关键结构参数对器件运行的影响,给出了双波段微波功率、频率随导引磁场、二极管电压等参数的变化曲线。     

Critical dynamics of the three-dimensional Ising model: A Monte Carlo study

Extensive Monte Carlo simulations have been performed to analyze the dynamical behavior of the three-dimensional Ising model with local dynamics. We have studied the equilibrium correlation functions and the power spectral densities of odd and even observables. The exponential relaxation times have been calculated in the asymptotic one-exponential time region. We find that the critical exponentz=2.09 ±0.02 characterizes the algebraic divergence with lattice size for all observables. The influence of scaling corrections has been analyzed. We have determined integrated relaxation times as well. Their dynamical exponentz _int agrees withz for correlations of the magnetization and its absolute value, but it is different for energy correlations. We have applied a scaling method to analyze the behavior of the correlation functions. This method verifies excellent scaling behavior and yields a dynamical exponentz _scal which perfectly agrees withz.     

气泡幕后向散射光信号特性的蒙特卡罗方法研究

利用蒙特卡罗方法对水介质中的气泡幕的后向光散射回波信号进行了系统仿真。通过对计算结果与实验结果的比较,证明了蒙特卡罗方法的有效性。根据仿真结果,结合理论分析的方法,对气泡幕位置、厚度和接收器视场角等参数对回波信号的影响进行了分析,结果表明:回波信号出现时间与气泡幕位置存在一一对应的关系;在气泡幕的衰减系数ρσt不变的情况下,存在一个有效气泡幕厚度,当大于该厚度时,气泡幕的后向光散射回波信号基本不变;在系统各项参数不变的情况下,适当增加接收器的视场角,可有效地提高回波信号的信噪比。