140GHz回旋振荡管谐振腔的并行三维粒子模拟研究

摘要

从二次世界大战出现的用于雷达的磁控管，再到后来用于科学实验的粒子加速器，真空器件得到了长足的发展，如用于通信的行波放大器件，用于波加热的振荡器件等。用于ITER计划的等离子体波加热的回旋振荡管一直是研究热点，回旋管在设计的时候需要依靠自洽非线性理论和从第一原理性出发的粒子模拟方法。从上世纪七十年代开始，PIC技术的数学框架基本确立，但是随着应用领域的发展，粒子模拟技术为了适应不同情况下的仿真，不断的完善发展。粒子模拟是在知道一定的物理作用机制下，对相应的物理问题进行建模，运用计算机技术，对于一些非线性方程进行求解和演化，其中方程的自洽，方程的解的收敛，方程的简化或者优化，都是难点，尤其是数值计算会带来一些异常情况，比如数值发散，数值异常振荡，数值噪声等。所以又要求我们引入数值方法改进，比如一些数值滤波等，才能得到理想的结果。
　　粒子模拟方法的的出现，使回旋管计算相对于经典半解析半数值的方法，更加接近于真实物理情况。而比较通用的粒子模拟软件有 MAGIC，KARAT，CST，VSIM等。但是在运算速度上和一些特殊情况处理上商业软件不能很好解决回旋振荡管仿真模拟问题，为此本论文从学习基础的粒子模拟算法着手，研究等离子粒子模拟算法在回旋振荡管中的应用并编写粒子模拟程序。
　　本论文对三段式的回旋振荡管谐振腔进行相应粒子模拟算法研究。内容包括：
　　1.结合FDTD方法中的Yee网格技术，和粒子模拟的蛙跳模型，应用差分化方程，对电磁吸收边界 CPML吸收效果进行了分析和验证，并且研究了当粒子出现在PML层中场的情况。学习电磁场的滤波算法，比较电磁场中心差分方法、时偏算法和高Q值方法对于电磁场的影响。
　　2.学习了基于蛙跳法的粒子运动方程，粒子推进的直接法和Boris方法，并且给出两种方法的比较。学习满足电流连续性原理的电流密度权重方法。研究粒子的发射模型，包括束发射模型和满足空间电荷限制的发射模型，论述他们的合理性和优缺点，最后选择回旋发射模型运用到粒子模拟程序中。
　　3.学习 OpenMP并行技术，搭建并行环境，采用基于共享内存的隐式并行的方式。对电磁场迭代，粒子运动部分，还有粒子出界判断模块实行并行化，粒子模拟程序得到了显著的加速。
　　4.计算出粒子在纵向恒定磁场情况下的稳定螺旋运动轨迹，并且设计偏转磁场计算粒子的静磁场下的偏转轨迹。选择合适的回旋管模型，根据电流大小，电压大小，粒子速度位置等参数合理选择相应算法和模型进行模拟仿真，观察波注互作用过程，得到场建立的过程，同时得到粒子的速度相空间分布。并且比较本文编写的程序和商业软件仿真结果的区别，并分析原因。

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第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 国内外研究历史与现状

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本论文的结构安排

第二章 FDTD的基本理论

2.1 电磁场算法

2.2 电磁场算法公式推导

2.3 FDTD解的稳定性

2.4 吸收边界条件

2.5时偏算法和高Q值算法

2.6 本章小结

第三章 电磁场与粒子的耦合

3.1 场作用于粒子

3.2 粒子作用于场

3.3 粒子的边界

3.4 小结

第四章 基于OpenMP并行编程

4.1 并行编程模型

4.2 基于OpenMP的并行编程模式

4.3 本论文OpenMP的并行模型设计

4.4 本章小结

第五章 粒子模拟程序中算法验证及仿真模拟

5.1 电磁算法的相关验证

5.2 粒子算法的调试

5.3 回旋管相关的仿真结果

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果