Multi-scale plasma simulation by the interlocking of magnetohydrodynamic model and particle-in-cell kinetic model

Many kinds of simulation models have been developed to understand the complex plasma systems. However, these simulation models have been separately performed because the fundamental assumption of each model is different and restricts the physical processes in each spatial and temporal scales. On the other hand, it is well known that the interactions among the multiple scales may play crucial roles in the plasma phenomena (e.g. magnetic reconnection, collisionless shock), where the kinetic processes in the micro-scale may interact with the global structure in the fluid dynamics. To take self-consistently into account such multi-scale phenomena, we have developed a new simulation model by directly interlocking the fluid simulation of the magnetohyrdodynamics (MHD) model and the kinetic simulation of the particle-in-cell (PIC) model. The PIC domain is embedded in a small part of MHD domain. The both simulations are performed simultaneously in each domain and the bounded data are frequently exchanged each other to keep the consistency between the models. We have applied our new interlocked simulation to Alfvén wave propagation problem as a benchmark test and confirmed that the waves can propagate smoothly through the boundaries of each domain.     

粒子模拟中阳极栅网模型的实现

在3维Yee网格和蛙跳模型上建立了一种合理的描述阳极栅网中电子散射过程的物理模型,在经典碰撞理论基础上推导了散射角和动量公式,并运用蒙特卡罗法模拟了高斯分布电子束在径向虚阴极情景下的阳极栅网散射过程。模拟结果出现了明显的虚阴极现象,平均功率0.60 GW,虚阴极效率4.5%,微波主频4.7 GHz,主模是TM01模。这些参数与文献模拟的数据基本符合,证明了虚阴极中阳极栅网数值模拟实现的正确性。     

粒子模拟中阳极栅网模型的实现

在3维Yee网格和蛙跳模型上建立了一种合理的描述阳极栅网中电子散射过程的物理模型,在经典碰撞理论基础上推导了散射角和动量公式,并运用蒙特卡罗法模拟了高斯分布电子束在径向虚阴极情景下的阳极栅网散射过程。模拟结果出现了明显的虚阴极现象,平均功率0.60GW,虚阴极效率4.5%,微波主频4.7GHz,主模是TM01模。这些参数与文献模拟的数据基本符合,证明了虚阴极中阳极栅网数值模拟实现的正确性。     

Locally conformal finite-difference time-domain techniques for particle-in-cell plasma simulation

The Dey–Mittra [S. Dey, R. Mitra, A locally conformal finite-difference time-domain (FDTD) algorithm for modeling three-dimensional perfectly conducting objects, IEEE Microwave Guided Wave Lett. 7 (273) 1997] finite-difference time-domain partial cell method enables the modeling of irregularly shaped conducting surfaces while retaining second-order accuracy. We present an algorithm to extend this method to include charged particle emission and absorption in particle-in-cell codes. Several examples are presented that illustrate the possible improvements that can be realized using the new algorithm for problems relevant to plasma simulation.     

库仑碰撞截面在等离子体粒子模拟中的应用

在等离子体粒子模拟中,TA模型和NanBu模型被广泛用于处理库仑碰撞,这两种模型要求每个时间步长内全部粒子参与计算。为了降低参与碰撞的粒子数,提高库仑碰撞的计算效率,提出了一种基于截面的库仑碰撞模拟方法,并给出了库仑碰撞概率的计算公式。采用该方法对不同温度不同密度电子气的弛豫过程进行模拟,分别对比了电子速度分布函数、电子温度以及电子x、y方向上的温度与电子温度之比的模拟值与理论值,验证了该方法的准确性。在相同的小时间步长上,该方法相比TA模型计算效率提升可达40%以上。对于较大的时间步长,该方法仍能得到与理论解近似的模拟结果,相比Nanbu模型,在相同的精度下可取更大的时间步长,计算效率也有所提升。研究表明,该方法同样适用于电子-离子碰撞。因此在提高库仑碰撞计算效率上,该方法具有碰撞粒子数少以及适用于大时间步长的优势。     

一维动理学数值模拟激光与等离子体的相互作用

利用一维(1D3V)、显式、全电磁、相对论粒子模拟代码研究动理学范畴内激光与等离子体相互作用中的受激拉曼散射,给出了粒子代码的控制方程及其数值离散的详细方案,研究表明:动理学效应在受激拉曼散射不稳定性中十分重要;时问平均的反射率在阈值强度处跃升,在更高的激光强度处达到饱和;受激拉曼背向散射周期性地在次皮秒内爆发,离子效应延迟背向拉曼散射的发生;电子俘获导致了背向拉曼散射出现爆发;Langmuir波的非线性频移使得背向散射达到饱和。     

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     

有限尺寸方靶等离子体离子注入动力学的三维粒子模拟研究

采用三维粒子模拟模型研究了有限尺寸方靶等离子体浸没离子注入过程中的鞘层动力学行为,得到了鞘层尺寸和方靶表面的注入剂量、注入能量以及注入角度等信息,并与二维无限长方靶注入结果进行了对比.模拟结果表明,与无限长方靶不同,有限尺寸方靶周围鞘层很快扩展为球形,但鞘层厚度明显减小.在模拟的50ω^-1_pi时间尺度内靶表面注入剂量很不均匀,中心区域注入剂量最小,四个边角附近位置注入剂量最大.这种剂量不均匀性是由于鞘层扩展为球形,使得鞘层内离子被聚焦并注入到边角附 关键词： 等离子体浸没离子注入 数值模拟 三维粒子模拟 有限尺寸方靶     

Shortening of the radiation pulse from a plasma relativistic microwave generator in numerical calculations with plasma simulation by the particle-in-cell method

Spontaneous shortening of radiation pulses of Cherenkov microwave generators based on the interaction of a high-current relativistic electron beam with preliminarily generated plasma was studied in a numerical model. Microwave pulse shortening is caused by the appearance of a gradually expanding region near the collector, from which plasma is expelled by an electrostatic field of relativistic electrons. The absence of plasma results in a severalfold decrease in the plasma wave reflectance from the collector and violation of generator self-excitation conditions. The microwave emission duration increases with the plasma ion mass.     

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。     

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。     

二维双流不稳定性静电粒子模拟

为研究双温电子等离子体中束流不稳定性的演化过程,用二维粒子模拟(PIC)代码对双温电子束流不稳定性进行了模拟,其中泊松方程用松弛迭代法求解,代码满足电荷守恒、动量守恒和能量守恒条件。在电子双流不稳定性的非线性演化过程中,得到相空间的空洞结构,实空间也相应出现了电子空洞。给出了不稳定性增长率以及相应色散关系。     

Implicit electrostatic particle-in-cell/Monte Carlo simulation for the magnetized plasma:Algorithms and application in gas-inductive breakdown

An implicit electrostatic particle-in-cell/Monte Carlo(PIC/MC) algorithm is developed for the magnetized discharging device simulation.The inductive driving force can be considered.The direct implicit PIC algorithm(DIPIC) and energy conservation scheme are applied together and the grid heating can be eliminated in most cases.A tensor-susceptibility Poisson equation is constructed.Its discrete form is made up by a hybrid scheme in one-dimensional(1D) and twodimensional(2D) cylindrical systems.A semi-coarsening multigrid method is used to solve the discrete system.The algorithm is applied to simulate the cylindrical magnetized target fusion(MTF) pre-ionization process and get qualitatively correct results.The potential application of the algorithm is discussed briefly.     

半圆形容器等离子体源离子注入过程中离子动力学的两维PIC计算机模拟

利用两维particle-in-cell方法研究了半圆形容器表面等离子体源离子注入过程中鞘层的时空演化规律. 详尽考察了鞘层内随时间变化的电势分布和离子密度分布规律,离子在鞘层中的运动轨迹和运动状态,得到了半圆容器内、外表面和边缘平面上各点离子注入剂量分布规律,获得了工件表面各点注入离子的入射角分布规律. 研究结果揭示了半圆容器边缘附近鞘层中离子聚焦现象,以及离子聚焦现象导致工件表面注入剂量分布和注入角度分布存在很大不均匀的基本物理规律. 关键词： 等离子体源离子注入 鞘层 两维particle-in-cell方法 离子运动轨迹     

粒子模拟中波导激励源的设计与实现

 讨论了粒子模拟中用时域有限差分(FDTD)法设计波导激励源的常见问题,并根据波的传播特性,提出一种模拟波导激励源的新方法,给出通用的计算公式,讨论了几种特殊情况下的算法修正。给出了2维柱坐标系下磁绝缘线振荡器(MILO)计算实例,结果表明：该方法能模拟较为复杂的波导激励源,并有效消除了激励源边界处的虚假反射,与传统波导激励源模拟方法比较,验证了该方法的正确性与优越性。     

L波段相对论速调管的3维粒子模拟

采用高频场软件对输入腔、中间腔和输出腔的高频特性进行冷腔分析。利用3维粒子模拟软件对L波段强流相对论速调管进行整体建模,模拟分析了整管工作情况,并讨论了3维模型中输入、输出耦合结构的引入对结果的影响。模拟参数为：电子束电压500 kV,电流5 kA,微波频率1.3 GHz,输出平均功率600 MW,效率约25%。     

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。     

L波段相对论速调管的3维粒子模拟

采用高频场软件对输入腔、中间腔和输出腔的高频特性进行冷腔分析。利用3维粒子模拟软件对L波段强流相对论速调管进行整体建模,模拟分析了整管工作情况,并讨论了3维模型中输入、输出耦合结构的引入对结果的影响。模拟参数为:电子束电压500 kV,电流5 kA,微波频率1.3 GHz,输出平均功率600MW,效率约25%。