粒子模拟

摘要： 2 cm电子回旋共振离子推力器具有高比冲、长寿命的特点,其应用于引力波探测的可行性已经过初步探索.然而,在探究离子源推力下限的过程中发现,在极低功率(0.5 W)和极低流量(0.1 sccm,1 sccm=1 L/min)的极限工作状态下,过度施加栅极电压可能引发离子源猝灭.采用实验手段对猝灭现象进行观测的难度很大,一方面因为猝灭现象具有随机性和瞬时性;另一方面,介入式诊断对弱放电水平的等离子体干扰很大,而光学诊断又有栅极系统阻挡.为此本文采用全粒子数值模型对离子源进行了一体化模拟,复现了猝灭现象.模拟结果表明,天线和放电室之间的双极扩散是导致离子源猝灭的最根本原因.明晰了猝灭机理后,本文提出了相应的改进措施,并用一体化模拟进行了理论验证.对猝灭机理的研究将为离子源的设计和应用提供理论依据,保障离子源安全稳定工作,满足引力波探测任务的推力需求.

摘要： 磁等离子体动力学推力器是空间高功率电推进装置的典型代表,磁等离子体动力学过程是其核心工作机制.为深入理解外磁场对其工作特性的影响,本文采用粒子云(particle in cell,PIC)方法结合基于自相似准则的缩比模型,进行外加磁场作用下磁等离子体动力学推力器工作过程的建模仿真,通过与实验结果对比验证模型和方法的可靠性,并重点分析推力器点火启动过程的等离子特性参数分布,以及外磁场和阴极电流对推力器工作性能的影响.研究结果表明:阴阳极放电电弧构建是推力器启动和高效工作的关键步骤;外磁场强度较低工况不利于构建稳定放电电弧,等离子体束流集中于轴线附近,推力主要产生机制是自身场加速;外磁场强度较高时,阴阳极放电电弧稳定,推力产生主要机制是涡旋加速,推力、比冲随外磁场强度线性增大;推力器效率随阴极电流和外磁场强度增大而增大;放电电压随阴极电流增大而增大,但随外磁场强度的增大表现出先减小后增大的趋势.

摘要： 近期,北京大学地球与空间科学学院宗秋刚教授研究团队发现水星存在磁暴与环电流,破解了近半个世纪的谜题。该研究团队综合分析了美国宇航局“信使号”水星探测器为期五年的观测数据,结果显示,水星的环电流在向阳面呈分叉状,这一形态与试验粒子模拟结果高度吻合,与地球的赤道环电流在形态上有很大差异。这主要是在强太阳风压缩水星磁层的条件下,质子经历Shabansky轨道导致的。

摘要： 电子回旋共振(ECR)中和器是微型ECR离子推力器的重要组成部分,其引出的电子用于中和ECR离子源的离子束流,避免了航天器表面电荷堆积,并且电子引出性能对推力器的整体性能起着重要作用.为了分析影响微型ECR中和器电子引出的因素,本文建立了二维轴对称PIC/MCC计算模型,通过数值模拟研究不同磁路结构对中和器的电子引出,及不同腔体长度对壁面电流损失的影响.计算结果表明,ECR区位置和引出孔附近磁场构型对中和器的电子引出性能至关重要.当ECR区位于天线上游,电子在迁移扩散中易损失,并且电子跨过引出孔前电势阱所需的能量更高.如果更多磁力线平行通过引出孔,中和器引出相同电子电流所需电压较小.当ECR区被天线切割或位于下游时,电子更易沿磁力线迁移到引出孔附近,从而降低了收集板电压.研究了同一磁路结构下不同腔体长度对电子引出的影响,发现增加腔体长度,使得更多平行轴线的磁力线通过引出孔从而避免电子损失在引出板表面,增加了引出电子电流.研究结果有助于设计合理的中和器磁路和腔体尺寸.

摘要： 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。

摘要： 采用紧聚焦的超强短脉冲激光与固体通道靶相互作用是获得大电量、高准直相对论电子束的一种有效方式。实验中由于激光预脉冲烧蚀靶壁产生预等离子体会膨胀、填充到真空通道中,从而导致电子束品质发生变化。采用二维PIC粒子模拟程序研究了通道靶中填充预等离子体的电子加速过程。模拟结果显示,在功率密度为5.0×10^(20W/cm^(2))的超强短脉冲激光条件下,通道中填充一定密度的等离子体时激光场优先与低密度等离子体相互作用,激光脉冲与通道壁的相互作用减弱,电子加速机制由纵向场主导的真空电子加速转变为横向电场主导的等离子体电子加速,产生电子束具有更大的电荷量,但能量降低,发散角增大。

摘要： 以光致电离等离子体中的带电粒子输运为主要研究背景,从理论上分析了位于两平行极板间的等离子体在外加直流电场作用下的带电粒子非平衡输运特性,给出了不同等离子体初始参数分布条件下电子对外加直流电场的瞬态响应特性,包括瞬态响应过程中的电子损失量和振荡频率的理论表达式,以及对离子引出通量和引出时间产生电子温度效应的临界电子数密度的表达式.粒子模拟结果与理论分析结果吻合良好.在此基础上进行了外加直流电场叠加射频电场作用下的离子引出过程一维粒子模拟.计算结果表明:在有射频电场存在的情况下,离子引出过程存在明显的共振现象,且在共振频率处离子引出通量显著提高;在本文所研究的特定工况下,发生射频共振时的离子引出时间缩短到了单纯采用外加直流电场时的5.8%.进一步的分析表明,外加射频电场一方面加热了电子,提高了离子稀疏波的传播速度;另一方面则加剧了电子振荡,增大了电子损失,抬高了等离子体电势,从而最终提高了离子引出通量、缩短了离子引出时间.

摘要： 电子回旋共振离子推力器(electron cyclotron resonance ion thruster,ECRIT)离子源内等离子体分布会影响束流引出,而磁场结构决定的ECR区与天线的相对位置共同影响了等离子体分布.在鞘层作用下,等离子体中的离子或电子被加速对壁面产生溅射,形成壁面离子或电子电流,造成壁面磨损和等离子体损失,因此研究壁面电流与等离子体特征十分重要.为此本文建立2 cm ECRIT的粒子PIC/MCC(particle-in-cell with Monte Carlo collision)仿真模型,数值模拟研究磁场结构对离子源内等离子体与壁面电流特性的影响.计算表明,当ECR区位于天线上游时,等离子体集中在天线上游和内外磁环间,栅极前离子密度最低,故离子源引出束流、磁环端面电流和天线壁面电流较低.ECR区位于天线下游时,天线和栅极上游附近的等离子体密度较高,故离子源引出束流、天线壁面电流和磁环端面电流较高.腔体壁面等离子体分布与电流受磁场影响最小.

摘要： 感性耦合等离子体源具有放电气压低、等离子体密度高、装置结构简单等优点,因此常被用于材料刻蚀及表面处理工艺中.为了深入了解感性耦合等离子体的特性及其与表面的相互作用,数值模拟成为了目前人们普遍采用的研究手段之一.针对具体问题,可以选择不同的模拟方法,如整体模型、流体力学模型、流体力学/蒙特卡罗碰撞混合模型、偏压鞘层模型、粒子模拟/蒙特卡罗碰撞混合模型等.其中,整体模型计算效率最高,常被用于模拟复杂的反应性气体放电.但整体模型无法给出各物理量的空间分布,因此二维及三维的流体力学模型,也得到了人们的广泛关注.在低气压等极端的放电条件下,由于电子能量分布函数显著偏离麦氏分布,则需要耦合蒙特卡罗碰撞模型,来精确地描述等离子体内部的动理学行为.此外,通过耦合偏压鞘层模型,还可以自洽地模拟鞘层的瞬时振荡行为对等离子体特性的影响.对于等离子体中的非局域及非热平衡现象,则需要采用基于第一性原理的粒子模拟方法来描述.最后对目前感性耦合放电中的前沿问题进行了展望.

摘要： 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.

摘要： 通过3维粒子模拟分析了杂模振荡造成脉冲缩短的机理,提出在输入腔和中间腔之间以及两个中间腔之间的漂移管中加载吸收介质来抑制杂模振荡的方法.在束压束流分别为900kV,7.5kA时,输出微波功率为1.73GW,输出微波包络平坦,没有电子回流,程序运行时间为200ns;注入微波吸收良好,稳态功率为40kW,随时间变化波动较小.此外还计算了加载吸收介质的四个腔体开放腔的谐振频率和Q值.

摘要： 分别给出了归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程.对于两组典型参数,采用非线性理论和二维粒子模拟程序分别计算了电流调制系数和距离的关系,理论和模拟结果比较一致.此外还计算了电子束动能和调制电流的n次谐波的模式强度随归一化距离的变化.

摘要： 结合相对论磁控管和磁绝缘线振荡器(MILO)的特点,设计了一种新型的C波段磁控管——相对论平面磁控管.与其他C波段的正交高功率微波器件相比,相对论平面磁控管的模型是将MILO的器件结构平面展开,其腔体是矩形结构,扩大了腔内空间,有效解决了随着工作频率增加,器件尺寸不断减小导致的阴阳极击穿,模式竞争严重等问题;同时相对论平面磁控管可用C型电磁体进行电磁包装,相比于MILO能更好的利用输入电功率,保证器件小型化的同时提高了整管效率.利用2.5维全电磁粒子模拟软件对其进行数值模拟,模拟表明:相对论平面磁控管可在输入为5.74GW电功率(工作电压约800kV)的条件下,得到频率为6.56GHz,周期平均功率约为1.2GW的微波输出,功率效率约为21％.

摘要： 本文介绍了2.5维自主研制的并行电磁粒子模拟程序NEPTUNE2D初步研发情况.该程序基于JASMIN并行自适应结构网格支撑框架研制,并行效能高,可扩展性强,且支持动态负载平衡;采用新型PIC算法替代传统算法,避免求解泊松方程修正电场,更适用于大规模并行计算;程序支持R-Z坐标系下的器件仿真,可应用于高功率微波器件、电真空器件的快速模拟设计.该程序现已完成电磁场更新、粒子推进、电磁场注入/引出、粒子发射/吸收等基本物理功能模块的研制,并对同轴线、圆波导、同轴二极管及无箔二极管算例进行了模拟验证.最后,应用NEPTUNE2D程序设计了一个高效同轴相对论返波管,给出了粒子模拟结果和并行性能测试结果.

摘要： 为了对磁控管的注入锁定过程进行三位电磁仿真研究,本文首先建立了一个10腔的磁控管模型,该模型工作电压为-4.2kV,工作磁场为0.195T,输出信号频率为2.4496GHz,输出功率2kW,输出效率达到70％.利用前述模型,本文对磁控管注入锁定过程展开的粒子模拟研究.仿真结果显示,在电压注入比为0.189时,注入信号将磁控管输出信号锁定在2.4474GHz.随着注入比的增大,以及注入信号和磁控管信号的初始相位的不同,磁控管都能被锁定,并且两者的稳定状态相位差不变.

摘要： 本文设计了一种Ku波段同轴相对论返波振荡器,采用理论分析和数值计算方法,研究了器件横向模式和纵向模式选择问题;利用粒子模拟方法,研究了器件束-波作用的物理机制.粒子模拟中,在电子束能量620keV,电子束流10.5kA,导引磁场2.0T时,输出微波频率12.086GHz,功率2.7GW,效率40.5％.粒子模拟结果表明,器件具有束-波作用效率高、结构简单的特点.

摘要： 本文提出了一种Ku波段MILO并开展了初步实验研究.粒子模拟结果表明,在输入电压474kV的条件下,微波输出功率约1.62GW,频率13GHz.设计了实验系统并进行了初步实验,在输入电压450kV的条件下,实验测得微波输出功率150MW,脉宽约17ns,频率约13.02GHz.对实验结果进行分析,大量阴极电流轰击电子收集筒外侧产生等离子体并造成烧蚀是导致器件微波输出功率幅值低和产生脉宽缩短的主要原因.

摘要： 采用粒子模拟软件,建立了基于冷阴极发射实心束的高阻抗相对论速调管放大器模型,由一个带屏蔽环的二极管,5个简单药盒型谐振腔和1个锥形收集极构成.为了给具有高效率的高阻抗相对论速调管提供实心束,同时实现设备的简单化和紧凑化,采用冷阴极取代传统的热电子枪,不仅操作简单而且大大降低能耗和经费.通过在传统二极管阴极侧面引入屏蔽环,利用屏蔽极大地提高电子束阻抗,同时其位置和形状能明显降低非发射区的场强,并且有效改善阴极端面发射的均匀性.在束波互作用区,通过依次调节末前腔和输出腔的位置并结合导引磁场的大小对输出的微波进行优化,结果表明:在二极管发射电压525kV、电流328A的实心束及外加磁场0.35T的条件下,当注入功率为1kW时,在11.424GHz的中心频率处获得了功率81MW,效率47％,增益49dB的微波.

摘要： 复合蜂窝结构高功率微波介质窗研究是一项创新性工作,对于高功率微波介质窗击穿研究具有重要的意义.本文提出一种带有蜂窝结构抑制层的五夹层结构的复合蜂窝结构高功率微波介质窗,通过粒子模拟给出了蜂窝结构抑制层的设计,依据理论分析和数值模拟完成了五夹层介质窗的优化,并研制出介质窗实物.经测试介质窗的辐射性能优异,且内表面耐受场强达到50kV/cm,可以应用为高功率微波馈源介质窗.

摘要： 本文提出了一种新型低阻抗高功率微波源,该微波源能在单个器件内产生两束锁相的相干高功率微波,对两束相干微波进行功率合成有望在单个高功率微波器件中实现更高的功率输出.PIC模拟结果显示,在687kV电压0.8T磁场时,该微波源整体阻抗36欧姆,两束微波的频率都为9.72GHz,输出功率分别为1.20GW和2.58GW,功率效率分别为28％和30％;两束输出微波之间频率抖动小于±3MHz,相位差抖动小于±3°.

摘要： 本发明公开了一种用于分析托卡马克中高能量粒子约束性能的测试粒子模拟方法，属于磁约束受控核聚变领域。首先，根据输入的平衡磁场、等离子体剖面等参数，划分二维三角网格；然后，在相空间中载入高能量粒子信息，包括位置、速度等信息；接着，根据全轨道方程与导心轨道方程，求解粒子随时间的演化，其中，碰撞模块采用蒙特卡洛方法；最后输出全部粒子的信息，经后处理模块处理后输出粒子分布、能流、电流等信息。本发明能模拟出高能量粒子的输运、损失等物理过程，计算效率高，数值稳定性强，是一种稳定、高效的数值模拟方法。

摘要： 本发明属于粒子模拟领域，具体为一种用于粒子模拟算法的粒子运动半插值求解方法。本发明采用每几个时间步长内有一个时间步长采用插值求解而其余时间步长直接求解的方式，避免了常规粒子运动求解算法中庞大的网格数目和粒子数目导致的需要访问的内存数目过多和中间变量的计算次数过于频繁等问题，降低了粒子运动求解部分的计算时间，提高了整体的计算效率。本发明求解方法适合于粒子模拟方法的电磁、静电和静磁模型，可与其它步骤耦合在一起，形成粒子模拟算法完整的求解流程。

摘要： 本发明属于粒子模拟并行技术领域，涉及一种在算法并行过程中如何减少数据竞争的并行方法，具体为一种在粒子模拟算法并行中减少数据竞争的粒子排序发射方法。本发明考虑到基于cuda的并行程序使用kernel函数求解时，是将线程分组次调用，同一组的线程是同时进行处理的；而在执行完该组的线程后，才会调用下一组的线程。因而不同组的线程不存在数据竞争的情况。因此本发明通过将粒子排序发射，使存在数据竞争的粒子尽可能分配到不同批调用的组，以极大地减少整个并行过程中的数据竞争，进而提高整体的并行效率。

摘要： 本发明公开了一种用于无网格粒子模拟技术的邻近粒子高效双重搜索方法。它主要包括：将无网格粒子计算模型的离散粒子节点数据导入计算机内存，并进行初始化计算；根据计算模型的求解域，建立一个规则矩形或长方体背景区域，确定背景区域的中心点坐标及边长；对背景区域进行规则网格划分，得到一系列大小完全相同的规则小矩形或小长方体格子；根据划分出的背景格子，判断离散粒子与背景格子的关系，从而建立落入每个背景格子中的粒子列表；背景格子层次的搜索；粒子层次的搜索。本发明硬件成本低，通用性强，并能有效提高无网格粒子模拟技术中的粒子搜索效率，大量降低模拟过程的耗时。

摘要： 以较少的计算负荷准确地进行粒子与构造物之间的距离计算，由此，适当地进行粒子与构造物的模拟。粒子模拟装置(10)是模拟粒子和构造物的动态的装置。粒子模拟装置(10)具备：构造物初始信息取得部(12)，取得表示构造物的初始位置和形状的信息；假想区域设定部(13)，基于该信息在构造物的表面的附近设定多个假想粒子，关于多个假想粒子的各个计算到构造物的距离；假想区域确定部(15)，根据粒子的位置确定预先设定的距离内的假想粒子；粒子距离计算部(16)，基于关于确定出的假想粒子计算出的距离，计算从粒子到构造物的距离；以及相互作用力计算部(17)，基于所计算出的距离，计算粒子与构造物之间的相互作用力。

摘要： 本发明公开了一种用于分析托卡马克中高能量粒子约束性能的测试粒子模拟方法，属于磁约束受控核聚变领域。首先，根据输入的平衡磁场、等离子体剖面等参数，划分二维三角网格；然后，在相空间中载入高能量粒子信息，包括位置、速度等信息；接着，根据全轨道方程与导心轨道方程，求解粒子随时间的演化，其中，碰撞模块采用蒙特卡洛方法；最后输出全部粒子的信息，经后处理模块处理后输出粒子分布、能流、电流等信息。本发明能模拟出高能量粒子的输运、损失等物理过程，计算效率高，数值稳定性强，是一种稳定、高效的数值模拟方法。

摘要： 本发明涉及圆柱坐标系下粒子模拟粒子源求解领域，具体为一种用于圆柱坐标系粒子模拟的粒子源求解方法。本发明采用了一种新的体积计算公式，通过根据当前求解粒子的位置构造一个以该粒子为中心的网格，然后使用构造所得网格求解体积，进而再计算电荷源；并进一步的提供了当rn<Δr/2时，步骤3使用体积公式(2)进行粒子源求解时，通过添加修正系数χ使得计算结果更加准确。减小了传统粒子源求解中由于体积计算带来的物理噪声，使得粒子源求解结果的精度进一步增加。

摘要： 本发明属于粒子模拟并行技术领域，涉及一种在算法并行过程中如何减少数据竞争的并行方法，具体为一种在粒子模拟算法并行中减少数据竞争的粒子排序发射方法。本发明考虑到基于cuda的并行程序使用kernel函数求解时，是将线程分组次调用，同一组的线程是同时进行处理的；而在执行完该组的线程后，才会调用下一组的线程。因而不同组的线程不存在数据竞争的情况。因此本发明通过将粒子排序发射，使存在数据竞争的粒子尽可能分配到不同批调用的组，以极大地减少整个并行过程中的数据竞争，进而提高整体的并行效率。

摘要： 本发明涉及粒子模拟数值模拟领域，具体为一种基于粒子模拟的Voronoi图粒子合并算法。本发明在合并前对粒子列表进行预处理，筛掉权重较大的粒子，避免因合并后粒子权重过大而引起较大的数值噪声，同时，提升了整个计算过程的速度。并通过预处理规则的选取，使得期望权重的选取更佳合理，从而达到快速找出相似粒子分组的目的，提高了Voronoi图粒子合并算法的计算效率。本发明克服了PIC方法模拟过程中粒子数目过大的限制，该算法在降低了模拟粒子规模同时保证了合并前后物理特性的不变，极大地提高了计算效率，并且可以方便的调节用户输入参数来控制最终合并误差和用户期望的剩余粒子数。

摘要： 本发明属于粒子模拟领域，具体为一种用于粒子模拟算法的粒子运动半插值求解方法。本发明采用每几个时间步长内有一个时间步长采用插值求解而其余时间步长直接求解的方式，避免了常规粒子运动求解算法中庞大的网格数目和粒子数目导致的需要访问的内存数目过多和中间变量的计算次数过于频繁等问题，降低了粒子运动求解部分的计算时间，提高了整体的计算效率。本发明求解方法适合于粒子模拟方法的电磁、静电和静磁模型，可与其它步骤耦合在一起，形成粒子模拟算法完整的求解流程。