用并行计算机模拟二维氢团簇的光电离

摘要

随着超短超强激光技术的发展，团簇与超短超强激光的相互作用一直是近些年来的研究热点之一。作为介于原子分子与固体之间的特殊物质形态，原子和分子团簇的特殊性质使得激光能量能够非常有效的转化到离子与电子中，导致一些奇特的现象如高价态、高能量离子以及强X射线的产生等，该研究具有重要的研究意义和潜在的应用价值。数值模拟一直是研究强激光与团簇相互作用的常用工具之一，但限于计算规模的限制，普通的计算机无法满足对大尺度、高维度团簇模型研究的需要，因此，采用并行计算机与相应并行算法的研究工作就变得尤为迫切。
　　 本文利用自行搭建的并行计算机集群系统和相应的并行算法，对二维氢原子团簇进行了强光电离过程的并行数值模拟研究。在实验方面，对飞行时间质谱实验系统进行了初步的设计和改进。论文具体内容包括：
　　 在理论方面，建立了团簇的二维经典粒子动力学模型，采用PIC算法模拟了氢原子团簇的强光电离过程。在算法上分别用牛顿方程和相对论方程求解质子和电子的运动，以获得强光作用所产生的正离子的动能分布。具体研究了不同密度的团簇和不同光强的激光脉冲相互作用过程，数值结果表明：团簇的正离子动能分布曲线呈高斯分布并随着团簇的密度以及光强的大小而变化。表现为，随着团簇密度的增大，库仑爆炸后产生的离子动能随之增大；离子最大动能随激光光强增加而增大，当光强增大到一定值时，最大动能将出现饱和。这些结果与他人的实验结果相一致。在此基础上，引入弛豫时间参数有效处理粒子间的碰撞过程，在简化计算量的同时，使得模拟结果更为符合已有的实验结果。数值模拟采用并行计算机集群系统及相应的并行策略，利用MPI与OpenMP混合编程模型对PIC算法进行并行化处理，获得了较为理想的加速比。在实验方面，初步设计并改进了强激光与物质相互作用的飞行时间质谱实验系统，并对后续工作提出展望。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 超短超强激光技术的发展历程

1.2 超短超强激光与团簇相互作用综述

1.2.1 团簇简介

1.2.2 研究强激光与团簇相互作用的意义

1.2.3 强激光与团簇相互作用的国内外研究进展

1.2.4 强激光与团簇相互作用的几种理论模型

1.3 本组前期的工作以及本课题的研究内容

1.4 本章小结

第二章 粒子模拟方法与并行计算

2.1 粒子模拟方法简介

2.2 几种常用的粒子模拟方法

2.2.1 PP算法

2.2.2 PM算法和PIC算法

2.2.3 树形分级算法

2.3 并行计算

2.3.1 并行计算简介

2.3.2 并行计算机

2.3.3 并行编程环境

2.3.4 本课题组并行集群的构建

2.4 强光与物质相互作用算法研究进展

2.5 本章小结

第三章 二维氢原子团簇强光电离模拟

3.1 原子单位制

3.2 二维氢原子团簇模型的建立

3.3 二维氢原子团簇模型的模拟算法

3.4 算法的并行策略

3.4.1 粒子分解方法

3.4.2 进程间的通信

3.5 模拟结果与讨论

3.5.1 不同密度的团簇产生的离子动能分布

3.5.2 不同的激光强度对离子最大动能的影响

3.5.3 曲线拟合系数的讨论

3.6 本章小结

第四章 含有碰撞过程的二维氢原子团簇强光电离模拟

4.1 PIC方法的局限

4.2 碰撞过程的引入

4.2.1 模拟中常用的处理碰撞的方法

4.2.2 引入弛豫时间参数处理碰撞过程

4.3 包含碰撞过程的模拟结果与讨论

4.3.1 与无碰撞过程的模拟结果比较

4.3.2 团簇密度对离子动能分布的影响

4.3.3 光强对离子动能分布的影响

4.3.4 拟合系数的变化

4.4 部分模拟数据与拟合曲线偏离的讨论

4.5 本章小结

第五章 强光与团簇相互作用的实验研究

5.1 团簇的制备

5.2 Nd：YAG激光系统

5.3 TOF-MS实验系统设计

5.4 未来研究工作的展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢