Ta及Nanbu库仑碰撞模型数值对比研究

深入研究库仑碰撞,对两种库仑碰撞模型—-Ta模型与Nanbu模型在理论上进行了对比分析,详细阐述了两种模型中散射角大小的区别.在已有的采用Ta模型的全三维粒子模拟/蒙特长罗(PIC/MCC)算法基础上,采用Nanbu模型对电子间库仑碰撞计算模块重新进行了算法设计.分别应用Ta模型、Nanbu模型和无库仑碰撞的全三维PIC/MCC算法对国外热门负氢离子源JAEA10A中的电子能量沉积进行了模拟分析.模拟结果与实验结果的对比分析发现:1)库仑碰撞使电子能量分布更接近于麦克斯韦分布;2)相对于传统的Ta模型,Nanbu模型的散射角考虑了多体碰撞的累加效果从而具有更高的期望值,按其模拟得到的电子温度具有更高的精度.这些为国内外学者设计相关算法指明了方向.

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。