一种补偿时间步长限制的粒子模拟-蒙特卡罗碰撞模型

从碰撞次数的概率分布出发,推导出一种补偿蒙特卡罗碰撞模型,采用以正态分布计算得到的平均碰撞次数作为碰撞概率,来补偿传统方法中忽略的多次碰撞。通过模拟不同折合电场强度条件下He气放电产生电子的运动规律,验证了补偿蒙特卡罗碰撞模型的正确性。计算结果表明:补偿蒙特卡罗碰撞模型可以有效地提高计算效率,特别适用于高气压气体放电现象的粒子模拟。

基于蒙特卡罗的平行跑道进近碰撞风险分析

为在新的导航方式下对具有随机复杂特性的平行跑道进近碰撞风险进行评估,构建了一种面向多个对象集的进近碰撞风险仿真模拟模型。首先根据实际航迹数据获取基于性能导航(Performance Based Navigation,PBN)的实际导航性能(Actual Navigation Performance,ANP)分布规律特征,基于ANP分布函数可得进近轨迹偏离概率;随后构建了仿真轨迹模拟模型,并将国际民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)的经典失误进近场景应用其中;最后针对不同非侵入区(No Transgression Zone,NTZ)宽度、不同失误场景进行仿真试验。结果表明:此模型可以快速且合理地对进近场景进行仿真模拟;在安全目标水平下的PBN导航进近可缩小NTZ宽度,从而减轻管制员工作量,提高进近运行效率。

基于快中子伴随α粒子方法的爆炸物检测技术的蒙特卡罗方法模拟

基于快中子伴随α粒子方法的爆炸物检测技术是一种可有效探测隐藏爆炸物的中子探测技术。利用蒙特卡罗Geant4程序模拟计算石墨、水、TNT样品前有、无墙体两种情况在14 MeV中子作用下产生的γ射线在探测器内的能量沉积谱和飞行时间谱,通过对飞行时间谱的分析表明,选取适当的时间窗可在一定程度上抑制探测器上的本底信号。

低能量粒子磁控溅射沉积薄膜的蒙特卡罗模拟

提出了一个磁控溅射的低能量粒子 (可以是离子或原子 )加温沉积模型 ,特别考虑了溅射损伤和有一定能量的入射粒子对基底的加温作用 ,并和真空沉积在相同外界条件下作了比较。利用蒙特卡罗方法研究了低能量粒子 (<10 0eV)对金属原子沉积薄层的作用。结果表明 ,当溅射很弱时 。

电推进羽流粒子束溅射的蒙特卡罗模拟

为了研究电推进羽流对推力器及航天器造成的溅射腐蚀作用,采用蒙特卡罗方法对羽流等离子体对材料的溅射进行模拟,研究了溅射的级联碰撞机理,并开展了Xe离子正入射、斜入射Cu材料的溅射率、溅射产物的能量分布以及空间角分布的研究。结果显示,蒙特卡罗方法对溅射率和能量分布的计算结果与试验结果吻合较好,误差<30%,但是斜入射溅射率和方向分布吻合较差,最大误差>50%。认为影响溅射的主要因素为晶体的结构、二体碰撞的基本假设以及入射粒子的注入累积效应。

纳米粒子对无定形聚乙烯网络中链形变与增强作用的蒙特卡罗（Monte Carlo）模拟（Polymer

对于球形填料粒子以立方晶格排列或在空间中无规排列两种情况下对无定形PE网络的增强作用进行了模拟。首先着眼于粒子排列类型对聚合物链的微观性质的影响上，具体地说，用蒙特卡罗旋转异构态模拟方法(MC—RIS)来预测由于填料粒子的体积排除效应导致的链构象分布函数的变化以及由于这些变化导致的复合物弹性性能的变化。

6H-SiC高场输运特性的多粒子蒙特卡罗研究

采用非抛物性能带模型 ,对 6H SiC高场电子输运特性进行了多粒子蒙特卡罗 (EnsembleMonteCarlo)研究 研究表明 :温度为 2 96K时 ,电子横向漂移速度在电场为 2 .0×1 0 4V/cm处偏离线性区 ,5.0×1 0 5V/cm处达到饱和 由EMC方法得到的电子横向饱和漂移速度为 1 .95×1 0 7cm/s,纵向为6.0×1 0 6cm/s,各向异性较为显著 当电场小于 1 .0×1 0 6V/cm时 ,碰撞电离效应对高场电子漂移速度影响较小 另一方面 ,高场下电子平均能量的各向异性非常明显 电场大于 2 .0× 1 0 5V/cm时 ,极化光学声子散射对电子横向能量驰豫时间影响较大 当电场一定时 ,c轴方向的电子碰撞电离率随着温度的上升而增大 对非稳态高场输运特性的分析表明 :阶跃电场强度为 1 .0×1 0 6V/cm时 ,电子横向瞬态速度峰值接近 3.0×1 0 7cm/s。

γ射线大气传输特性的蒙特卡罗方法模拟

利用蒙特卡罗方法计算了距地面30～100km处的γ射线源,通过大气传输到距地面500km轨道上的不同位置处的γ射线的光子注量、能量注量以及能谱和飞行时间谱的变化情况。计算结果表明:到达较大的轨道倾斜角处的积分光子注量比在真空中传输的积分光子注量超出了30%～90%,能量注量的传输值几乎与真空中的传输值相同。这是由于源附近大气对光子散射到达探测点的注量超过大气对光子的吸收所致。高能注量主要来自非碰撞光子,低能注量来自散射光子。

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。

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。

离子电离与次级反应耦合的蒙特卡罗模拟方法研究与应用

氘或氚离子在靶物质中电离输运的同时会发生次级反应,为模拟这一过程,开发了耦合蒙特卡罗工具RSMC。程序用详细历史法和浓缩历史法模拟电离过程,调用ENDF或TENDL中D、T核数据计算次级反应,同时使用"强迫次级粒子产生"降方差技巧提高模拟效率。对中子深度分析问题、加速器单能中子源问题和热中子-聚变中子转换靶问题进行研究,验证了RSMC的正确性。

基于集成众核的3D蒙特卡罗半导体器件模拟器

3D蒙特卡罗器件模拟计算量大,计算量随网格与粒子数增加而急剧增加。通过分析3D蒙卡模拟加速热点和进一步可并行性,研究有效电势方法的集成众核并行方案;研究粒子自由飞行、统计模拟信息、计算表面粗糙散射等热点并行方案,最终实现基于CPU/MIC的三级并行3D蒙特卡罗器件模拟软件。实验结果显示,三级并行比单级并行获得更好的性能;当提高模拟精度时,相比单级并行,三级并行蒙特卡罗模拟加速比增加。

强荧光背景环境中荧光涨落谱——蒙特卡罗模拟研究

荧光涨落谱方法(FluorescenceFluctuationSpectroscopy)通过分析微小探测区域内的荧光涨落信号,获得粒子亮度、扩散系数以及溶液浓度等信息。利用MonteCarlo模拟方法,研究了溶液中自荧光背景和系统噪声对荧光涨落谱的影响。结果表明,利用双组分光子计数统计方法,可以有效去除低亮度、高浓度背景组分自荧光和均匀分布系统噪声产生的影响。本结果为利用荧光涨落谱方法测量细胞体系复杂环境中的蛋白质相互作用提供帮助。

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。

气体平均自由程纳米尺度效应的蒙特卡罗模拟

纳米尺度下的气体流动具有不同于常规尺度的规律,其中重要的特征是纳米间隙中气体分子自由输运行程将减小,进而影响气体的输运规律。利用直接模拟蒙特卡罗方法,考察了依赖于努森数Kn的气体分子壁面碰撞率,计算了分子平均自由程并给出了结果对比,最后验证了依赖于Kn数的纳米尺度效应函数。结果表明:过渡区分子与壁面碰撞率之间满足一定的关系,以此为基础得到的纳米尺度效应函数反映了纳米间隙对平均自由程的影响。

高功率微波沿面闪络击穿机制粒子模拟

针对高功率微波介质沿面闪络击穿物理过程,首先建立了理论模型,包括:动力学方程、粒子模拟算法、二次电子发射,以及电子与气体分子蒙特卡罗碰撞模型、电子碰撞介质表面退吸附气体分子机制;其次,基于理论模型,编制了1D3VPIC-MCC程序,分别针对真空二次电子倍增、高气压体电离击穿和低气压面电离击穿过程,运用该程序仔细研究了电子和离子随时间演化关系、电子运动轨迹、电子及离子密度分布、空间电荷场时空分布、电子平均能量、碰撞电子平均能量、碰撞电子数目随时间演化关系、电子能量分布函数、平均二次电子发射率以及能量转换关系。研究结果表明:真空二次电子倍增引发的介质表面沉积功率只能达到入射微波功率1%左右的水平,不足以击穿;气体碰撞电离主导的高气压体电离击穿,是由低能电子(eV量级)数目指数增长到一定程度导致的,形成位置远离介质表面,形成时间为μs量级;低气压下的介质沿面闪络击穿,是在二次电子倍增和气体碰撞电离共同作用下,由于数目持续增长的高能电子(keV量级)碰撞介质沿面导致沉积功率激增而引发的,形成位置贴近介质沿面,形成时间在ns量级。

离子推力器羽流特性的粒子模拟

采用粒子网格单元和蒙特卡罗碰撞方法,建立了离子推力器羽流场的2维轴对称模型,对其特性进行了数值模拟,并将模拟结果与实验测量数据进行了对比分析。研究结果表明:数值模拟结果与实验测量值基本一致,模型可以很好地评估离子推力器的羽流特性;返流区离子数密度达到1014m-3量级,会对航天器表面产生污染;背压对束流区域外电荷交换离子影响较为显著,不可忽略。

外加声场对增加PM_(2．5)碰撞几率的数值模拟研究

采用数值模拟方法对细粒子(PM2.5)在平面行波声场作用下的碰撞几率进行研究,基于直接模拟蒙特卡诺 (DSMC)方法的硬球模型研究PM2.5之间的碰撞。通过统计计算区域内PM2.5在一定时间内的碰撞次数,发现在外加声场作用下,PM2.5之间的碰撞几率与PM2.5浓度、声场强度及声波频率有显著关系。在声场保持不变的情况下,碰撞几率随PM2.5浓度的增大而增大;在PM2.5浓度和声波频率保持不变的情况下,碰撞几率随声场强度的增加而增大;在 PM2.5浓度和声场强度保持不变的情况下,碰撞几率随声波频率的增大,先增大后减小,存在一个使碰撞几率最大的最佳频率值。文章给出了碰撞几率与PM2.5浓度、声场强度、声波频率的关系曲线。

离子发动机加速栅极孔扩大腐蚀的粒子模拟

为研究离子发动机加速栅极孔扩大腐蚀速的特征及影响规律,采用单元内粒子——蒙特卡罗碰撞(PIC-MCC)方法,结合溅射腐蚀模型,模拟了栅极间束流离子及交换电荷(CEX)离子的分布情况,得到离子发动机加速栅极孔扩大腐蚀情况及平均腐蚀率,为0.0176μm/h。进一步研究了工作参数和几何参数对其影响,并建立了适用于工程应用的加速栅极孔扩大腐蚀预测模型。结果表明,在影响孔扩大腐蚀率各种因素中,束流电流密度和中性气体密度的影响最大。因此,在离子发动机直径一定的情况下,提高放电室出口等离子体密度的均匀性及推进剂利用率,是提高栅极寿命的根本途径。

稀薄等离子体羽流稳态流动粒子模拟

以稳态等离子体推力器羽流为研究对象,基于单元粒子法-直接模拟蒙特卡罗法混合法,建立数值仿真模型,研究流场电势、电子数密度、离子电流密度分布,通过与实测数据及已有模拟结果的比较验证模型.电子动量方程简化中,考虑电子和离子与中性粒子的碰撞效应,采用交替方向隐式法求解等离子体电势,所得仿真结果优于忽略该效应的Boltzmann模型,尤其是在流场翼部.本研究对电推力器的污染评估具有参考价值.