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。     

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。     

基于频域电磁场的微波器件微放电阈值快速粒子模拟

提出了一种利用频域电磁场快速计算微波器件微放电阈值的粒子模拟方法.首先通过CST微波工作室频域求解器获得微波器件中频域电磁场分布,在微放电过程模拟时将其转换到时域,再采用Boris算法求解电磁场中的电子运动,然后判断电子是否与三角面片边界相交,进行二次电子发射处理.变化输入功率,经过系列粒子模拟后,根据电子数目随时间的变化曲线确定微放电阈值.采用该方法分别对平行平板和同轴传输线微波器件的微放电阈值进行模拟计算,并与CST粒子工作室的模拟结果进行对比.结果表明,两者获得的阈值基本一致,但本方法的计算效率提高了1—2个数量级.     

基于OpenMP的3维粒子模拟并行计算

基于OpenMP标准分别设计了粒子模拟方法中电磁场计算、粒子运动求解、电荷密度和电流密度更新的并行计算实现算法。在多核计算机上对所设计并行算法进行了性能测试和分析,根据分析结果在3维并行粒子模拟软件CHIPIC3D上实现了基于OpenMP的并行计算功能,并应用其对一种扩展互作用振荡器进行了基于OpenMP的并行模拟和基于OpenMP/MPI混合模式的并行模拟。模拟结果表明并行算法正确并能取得较高的加速比。     

同轴波导虚阴极振荡器二极管参数优化的研究

采用粒子模拟研究了同轴波导虚阴极振荡器二极管参数对微波效率和频率的影响,得到了由二极管参数改变引起的二极管阻抗变化及其对微波效率的影响规律. 借鉴具有慢波结构的高功率微波器件中微波模式特性阻抗的计算方法,给出同轴波导虚阴极振荡器中微波主模式特性阻抗的理论计算公式. 将理论计算结果与由粒子模拟对器件进行优化后得到的二极管阻抗进行比较,发现当反映电子束特性的二极管阻抗与微波主模式特性阻抗匹配时,虚阴极振荡器具有较高的束波功率转换效率. 进一步用特性阻抗对其他几种典型结构的虚阴极振荡器进行分析,验证了该方法的合理性,为设计高效率虚阴极振荡器提供了理论指导. 关键词： 虚阴极振荡器 同轴波导 二极管参数 特性阻抗     

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维电磁粒子模拟程序设计

 在3维Yee网格模型以及蛙跳模型的基础上,分析了3维电磁场离散算法及其稳定条件,讨论了3维空间网格上电磁场作用于粒子的平均场权重法和粒子作用于电磁场的Charge-conserving法,同时也讨论了3维空间网格上理想导体边界条件、自由吸收边界条件、爆炸式发射模型的模拟实现方法。以向内发射同轴二极管为例从其电流电压关系及电子束运动特性方面验证了模拟的正确性。     

2(1/2)维等离子体粒子模拟分布式并行程序设计

设计了两种粒子模拟的并行算法,并对其进行了比较,基于消息传递环境开发2(1/2)维粒子模拟并行程序,测试并分析了并行性能.粒子模拟算法中,给出了一个初始化粒子三维Maxwell速度分布的算法,并对常用的电磁场的Lindman吸收边界作了推广.最后对激光钻孔问题作了粒子模拟计算,验证了该并行程序.     

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     

频率色散表面阻抗对真空电子太赫兹源的影响

为了研究欧姆损耗对高频真空电子器件工作特性的影响,首先推导频率色散表面阻抗边界在三维共形粒子模拟软件UNIPIC-3D中的实现原理,并通过对有耗边界矩形谐振腔和圆波导进行模拟验证了该阻抗边界算法的正确性.采用有耗共形UNIPIC-3D模拟相对论太赫兹表面波振荡器和低电压平板格栅返波振荡器.模拟结果表明,对于表面波振荡器和平板BWO这种电磁场集中在金属慢波结构附近的太赫兹真空电子器件,欧姆损耗会对器件的运行带来极大影响,对于采用铜材料的器件,输出功率会下降一半左右,器件起振时间出现延迟,但器件工作频率几乎不变.为了提高相对论太赫兹表面波振荡器的效率,在二极管和慢波结构之间增加了反射腔,模拟结果表明,在考虑器件表面损耗的条件下,器件的工作频率保持不变,输出功率由41 MW提高到60 MW.     

同轴引出电子束相对论返波振荡器的粒子模拟

 设计了一种L波段同轴引出电子束相对论返波振荡器,采用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程,分析了二极管电压和导引磁场对产生微波频率和束-波转换效率的影响。模拟结果表明:该器件在小型化,中等磁场的条件下具有较高的束-波作用效率。在电子束能量700 keV,电子束流10 kA,导引磁场为1.0 T时,器件在频率1.62 GHz处获得较高的微波输出,饱和后微波的平均功率达2.2 GW,平均效率约为30%,器件最大径向半径仅为5.0 cm。     

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。     

新型低阻抗同轴慢波器件模拟研究

提出一种新型的低阻抗同轴慢波器件,它利用阳极金属网将二极管区与波束互作用区分开,并在波束互作用区采用内外双盘荷波导慢波结构以提高波束互作用效率。利用全电磁粒子模拟软件进行优化设计,结果表明:在输入电功率100 GW、电流95.4 kA的条件下,同轴慢波器件可在L波段获得23 GW的平均输出功率,功率转换效率达到23%。该器件无需外加磁场,结构简单,小型轻便。同时还对阳极金属网的温升状况进行了简单的估算。     

紧凑型P波段相对论返波振荡器的粒子模拟

 设计了一种紧凑型P波段相对论返波振荡器,其电动力学结构是由同轴慢波结构和同轴引出结构组成的。同轴慢波结构缩小了器件的径向尺寸;同轴引出结构缩短了器件的轴向长度,且提高了束波作用效率。通过粒子模拟研究了器件内束波作用的物理过程,模拟结果表明：器件具有结构紧凑、束波作用效率高的特点。在二极管电压700 kV,电流7 kA,导引磁场1.5 T时,器件在频率833 MHz处获得较高的微波输出,饱和后输出微波的平均功率达1.58 GW,效率约为32%,器件电磁结构尺寸仅为108 mm×856 mm。     

欧姆损耗对太赫兹频段同轴表面波振荡器的影响

为了研究欧姆损耗对太赫兹波段真空电子器件工作特性的影响, 本文推导了2.5维全电磁粒子模拟软件UNIPIC的表面阻抗边界条件, 并采用软件对不同金属材料慢波结构的同轴结构表面波振荡器进行了数值模拟研究, 分析了不同金属材料慢波结构器件的输出功率与电导率的关系, 模拟结果表明: 金属电导率对器件的输出功率有非常大的影响, 对于0.14 THz 同轴表面波振荡器, 铜材料和不锈钢材料慢波结构器件的输出功率分别下降13.4%和63.9%, 起振时间分别延迟0.4 ns 和15 ns.     

梯形波纹同轴慢波结构色散特性及其纵向谐振特性

 利用傅里叶级数展开,给出了一种求解梯形慢波结构表达式的方法。通过数值模拟,研究了级数展开次数对求解精度的影响。当级数为10阶时,线型拟合而成的结构与原结构吻合较好。利用此表达式数值求解了色散方程,得到两个最低阶模quasi-TEM模和A 模。分析了为实现电子束与quasi-TEM模的-1次空间谐波相互作用慢波结构参数所需满足的条件,并指出利用此条件下纵向电场具有表面波的特点可实现横向模式选择。采用S参数理论研究有限长慢波结构的纵向谐振特性,提出在同轴慢波器件中加入同轴引出结构可减少所需慢波结构周期数,这不但使器件结构更为紧凑,还可避免纵模竞争从而提高器件效率、稳定产生微波频率。在此基础上设计了一种L波段同轴相对论返波振荡器,采用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程。模拟结果表明,该器件具有径向尺寸小、束-波作用效率高的特点。在电子束能量700 keV、电子束流11.5 kA的条件下,器件在频率1.6 GHz处获得较高的微波输出,饱和后微波的平均功率达2.60 GW,平均效率约为32.3%。