全电磁粒子模拟算法研究及软件研制进展

全电磁粒子模拟方法通过求解电磁场与带电粒子之间的非线性相互作用,广泛应用于真空电子器件的数值模拟研究及参数优化设计,也能用于高能带电粒子产生电磁脉冲等物理现象的模拟研究。本文作者所在团队在全电磁粒子模拟算法研究、软件研制及应用等方面开展了系列工作,取得的进展有:(1)开展了2.5维全电磁粒子模拟算法研究及软件研制,提出了基于2.5维粒子模拟算法及并行遗传算法的真空电子器件优化方法,研制的软件已应用于真空电子器件的设计和优化;(2)完成了3维并行全电磁粒子模拟算法研究及软件研制,采用共形网格模拟3维复杂真空电子器件结构,具备超大规模并行计算能力,已应用于真空电子器件的3维数值模拟研究;(3)开展了基于时域间断有限元的全电磁粒子模拟算法研究,研制了基于该方法的全电磁粒子模拟软件,大幅提高了全电磁粒子模拟方法计算复杂结构的能力。

用于全电磁粒子模拟的复杂建模及网格生成技术

基于Open CASCADE开源的计算机辅助几何设计类库,给出了全电磁粒子模拟中复杂模型构建技术及网格生成技术。介绍了Open CASCADE软件的基本特点;给出了基于Open CASCADE进行自主研发的用于全电磁粒子模拟的复杂模型构建软件EasyEMModeling的设计思想、程序框架及已具备的功能;基于Open CASCADE中的射线与几何体的求交算法,给出了Yee网格中共形描述3维复杂模型的共形网格生成技术;最后,给出了验证实例,证实了共形网格生成方法的正确性及有效性。

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。

并行3维全电磁粒子模拟软件NEPTUNE的外加磁场模块设计

介绍了3维全电磁粒子模拟软件NEPTUNE中常用外加磁场加载模块的设计思路和方法,包括简单的磁场分布方程和离散数值加载、螺线管磁场加载、直线及螺旋线磁场分布加载、摇摆器磁场加载以及永磁体磁场加载等方式。每一类磁场加载模式都进行了实际算例的计算和验证,计算结果表明各类磁场加载模块设计的正确性和可靠性。最后针对具体应用,结合二极管电子束在不同外加引导磁场作用下的各种分布状态,间接验证了磁场模块设计的可行性。

3维全电磁粒子模拟软件的外加波与粒子模块设计

介绍了3维全电磁粒子模拟软件中外加波边界与粒子边界模块的设计思路和方法,其中外加波边界包括同轴波导、矩形波导、圆柱波导的电磁波输入和输出,以实际算例的形式计算了同轴波导TEM模、矩形波导TE10模、圆柱波导TM01模的传输特性;粒子边界包括粒子的发射与吸收。以实际算例的形式计算了一个用于MILO的同轴二极管爆炸发射模型,对其不同电压下的发射特性以及外加波注入功率进行了研究。研究发现:在外加波电压从低到高的情况下,电子先后表现为出了径向运动,轴向漂移和顺势流3个阶段的发射特性,符合物理规律。所得外加波传输的模式分布和粒子发射特性的计算结果分别验证了外加波和粒子发射模块设计的正确性和可靠性。

用于三维全电磁粒子模拟的电荷守恒共形发射技术

给出了满足电荷守恒的共形发射技术。首先阴极表面由三角网格共形描述,发射带电粒子时,根据电荷和电流线性分配方式和离散高斯定律,带电粒子的初始位置设置在与三角面元处于同一个网格元胞内,离三角面元最近且处于金属内部的网格点上。带电粒子的初始运动由两部分组成:一是由三角面上的法向场推进所产生的运动;二是使发射粒子在阴极面上分布呈随机性而设定的随机运动。运动产生的电流按照电荷守恒定律分配到离散网格中,并且由于粒子的初始位置设置在整网格点上,带电粒子的共形发射不会产生非物理的静电累加。最后通过同轴二极管模型来验证共形发射模型的正确性。

神光装置辐照腔体系统电磁脉冲的数值模拟

应用三维MC程序和PIC程序,对神光装置辐照下腔体内系统电磁脉冲(SGEMP)模型进行了耦合模拟。在半高宽为2.9 ns、平均能量为10.3 keV的轫致谱X射线点源辐照下,圆柱腔内电场最大值高达2 MV/m,以轴向电场为主;磁场最大值约为0.8×10^(-3)T,以角向磁场为主,电磁场最大值都集中在发射面附近,以脉冲直流场为主,交流辐射场幅度较小,约在kV/m量级。考察了注量对SGEMP效应的影响,注量越高,电场沿轴向变化越快,交流辐射场占比越大。

磁场重联的二维粒子模拟研究

利用二维全粒子模拟方法研究了无碰撞等离子体中的磁场重联过程,得到了不同区域的离子和电子速度分布。计算结果表明,电子和离子在扩散区中的不同动力学特性产生的Hall电流使磁场的y分量B_y呈现四极形分布。离子和电子的速度分布偏离了初态时的Maxwell分布,呈现非局域的多重分布。同时由于磁场重联而产生的电场使电子在X点附近得到加速和加热,因而在电子的能谱分布中形成一高能尾。

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0.22THz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。

磁绝缘线振荡器阴极释气电离粒子模拟

阴极释气电离产生的击穿现象是限制磁绝缘线振荡器(MILO)工作性能的一个可能因素,也是限制其重频运行的主要障碍。利用三维全电磁粒子模拟程序对高功率微波器件MILO中阴极释气电离现象的物理建模技术以及实现三维自洽运算所需的粒子模拟技术进行了分析研究。对不同相对释气率的情况进行了模拟计算,模拟计算结果表明,当释气率超过一定阈值时,电离导致的等离子体会使微波输出功率迅速下降。

相对论绕射辐射振荡器的三维粒子模拟

开展了具有同轴波纹渐变式反射器与光滑漂移段结构的相对论绕射辐射振荡器的研究,并运用全三维粒子模拟软件CHIPIC对其进行数值模拟仿真,分析了漂移段、反射器等结构对输出功率的影响,探讨了反射器位置和输出功率的关系。仿真结果表明:合适的漂移段与反射器的引入,能大大提高输出功率。优化结构参数,在输入电压480kV下,平均输出功率达到774.5MW,平均功率效率为32.3%。

基于南昌大学高性能计算集群的磁场重联粒子模拟研究

以南昌大学自主建设的高性能计算集群为研究平台,首先采用Linpack程序对集群系统性能进行测试,分别给出了不同矩阵规模N,矩阵分块大小NB,处理器网格中水平方向的处理器数P,垂直方向处理器数Q 4种条件下的并行计算性能。利用自主开发的全粒子模拟程序进行了二维磁场重联模拟研究,计算结果表明,在磁场重联过程中,满足Kelvin-Helmholtz不稳定条件下的电子涡旋可以激发亚离子尺度磁岛,同时给出了离子尺度的磁岛发生合并的过程,证明了电子尺度动力学过程在磁场重联中的重要作用。

电子轰击式离子推力器放电腔结构对等离子体特性影响的全粒子仿真研究

为明确电子轰击式离子推力器放电腔结构对推力器推力、比冲等性能的影响,采用基于蒙特卡罗碰撞的网格粒子(PIC/MCC)方法,建立了放电腔的全粒子二维轴对称仿真模型,对10 cm×5 cm圆柱型放电腔内部的等离子体特性开展研究。结果表明:双进气口放电腔的电离率、推力、比冲和放电损耗优于单进气口,但放电腔出口处的离子分布均匀性相对较差;阴极长度的增加可以减弱离子回流现象,提升推力器宏观性能参数,但阴极过长会降低腔内电离率;针对所讨论的推力器,阴极长度在4~5 cm区间内的综合性能最优。仿真得到了不同工质气体进气口位置和阴极位置对等离子体参数及推力器宏观性能参数的影响,可为放电腔的实际设计提供一定参考。

新型电荷守恒算法在大规模粒子模拟中的应用

介绍了一种粒子沿折线(zigzag-line)运动的守恒型PIC算法在自编三维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE3D中的实现与应用情况。相对于经典PIC算法,该算法不需要修正电场,可以避免大型矩阵求逆问题,使得程序鲁棒性更高;相对其他守恒型算法,该算法不需判断语句,代码执行效率更高,更适合大规模并行计算环境。通过与经典PIC算法对比,给出采用zigzag-line守恒型PIC算法的NEPTUNE3D程序对磁绝缘线振荡器天线一体化模型与太赫兹折叠波导行波管2个实际算例的验证测试结果、应用效果,结果表明:zigzag-line守恒型PIC算法模拟结果正确可靠,相对经典PIC算法,大大缩短了计算时间,显著提升了器件模拟设计效率。

稀薄空气、等离子体环境外系统电磁脉冲的数值模拟

为研究大气环境对系统电磁脉冲(SGEMP)的影响,针对海拔50~100 km的X射线能量沉积区,分别应用3维PIC程序及3维PIC-MCC程序各自开展预电离等离子体和稀薄空气条件下外SGEMP的建模与模拟研究,针对3种不同的X射线注量(4×10^(−3) J/cm^(2)、4×10^(−2) J/cm^(2)、0.4 J/cm^(2)),分别取对应两种不同海拔高度(70 km和80~90 km)的本底等离子体及海拔56 km的稀薄空气条件进行模拟计算,并和真空中的计算结果进行对比,得出预电离等离子体及稀薄空气对外SGEMP的影响规律:当X射线注量较低时,等离子体使得磁场增大,电场减小,而稀薄空气对外SGEMP效应影响不明显;随着X射线注量增大,空间电荷非线性效应越来越明显,等离子体及稀薄空气都使得电场、磁场同时增大,且稀薄空气的增大效应更显著。

早期高空核电磁脉冲的自洽粒子模拟

采用全电磁粒子模拟方法和一维近似模型,考虑电磁脉冲场对康普顿电子运动的影响,数值模拟了早期高空核电磁脉冲产生的自洽过程。给出了理论模型和计算模型,选取了一个计算区域位于源区的算例,比对了自洽处理方法和非自洽处理方法的异同,给出了三个考察点上电场分量的时域波形。结果表明,自洽处理方法会使第1峰值电场强度稍有降低,但对第2和第3峰值电场强度影响不大;同时,自洽处理方法会使第1与第2峰值电场强度之间的时间间隔缩短,但对以后各个峰值电场强度之间的时间间隔影响不大。

螺旋波纹波导被动式脉冲压缩模拟研究

研究了一种基于螺旋波纹波导特殊色散特性对输入微波脉冲进行压缩的新方法。利用3维全电磁粒子模拟软件对X波段螺旋波纹波导进行了建模,模拟分析了该波导的特殊色散特性及提高功率增益的方法,并将已有模型脉冲压缩增益提高了6.65。模拟结果表明:通过优化输入微波的频率调制特性,可以获得更加符合被动式脉冲压缩所需要的调频形式;采用改进后的椭圆波导,可以得到更有利于被动式脉冲压缩的本征模式;通过延长渐变段长度,可以减少规则段和渐变段之间不均匀性造成的微波反射,从而实现更高的脉冲压缩增益。

金属双边二次电子倍增的理论分析与数值模拟

针对金属双边二次电子倍增现象,分析给出了电子共振方程、共振相位、相位聚焦条件以及碰撞电势;并根据二次电子发射的材料特性,研究了金属双边二次电子倍增的敏感区间。利用蒙特卡罗方法抽样选取电子初始发射能量和角度,数值研究了二次电子倍增的敏感区间,并与理论结果进行了比对,给出了二次电子数目随时间的增长关系。利用材料二次发射特性的经验公式,辅以电子碰撞角和碰撞能量计算以及对二次电子初始能量和发射角度的蒙特卡罗随机抽样算法,编制了3维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE的金属边界二次电子发射功能模块,模拟金属双平板二次电子倍增过程,获得了二次电子倍增物理图像、二次电子数目随时间演化规律等结果。模拟结果不仅验证了理论分析,还表明在合适的条件下,空间电荷限制作用将导致二次电子倍增的饱和。

圆柱体外SGEMP的三维数值模拟

研究复杂模型的系统电磁脉冲(SGEMP)特性,开发三维全电磁粒子模拟程序,用Monte Carlo方法计算电子发射的余弦角分布和指数能谱分布,作为校验,首先模拟光电子由圆柱端面向外发射的SGEMP模型,并与文献二维计算结果对比;用该程序对半径为10 cm,长度为20 cm的圆柱体只有一半侧面向外发射的三维SGEMP进行模拟,发现当发射电流为3.3A时,产生的电场最高可达56 k V·m^(-1),磁场高达3.0×10^(-6)T.

磁绝缘线振荡器中模式竞争问题的数值模拟

为理解磁绝缘线振荡器(MILO)实验中频频出现的模式竞争问题,利用3维全电磁粒子模拟程序对C波段MILO的实验模型进行研究,探索各种非对称激励机制对产生微波模式的影响,结果显示:阴极电子随机发射、电压的慢上升前沿、较低的电压等因素都可导致非对称高阶模式的产生,并使输出微波功率大大降低。模拟计算得出MILO中存在频率为3.6 GHz左右的基模和频率分别为3.7,4.1,4.6 GHz左右的3种高阶模式,与Karat计算结果基本一致。