基于PIC方法的GEO航天器表面材料充电过程研究

地球同步轨道航天器在地磁亚暴环境下处于向光面和背光面的两侧会产生电位差。本文利用高能电子和高能离子的双麦克斯韦分布拟合同步轨道环境等离子体并加入二次电子和光电子的影响,建立了航天器的三维计算模型,利用基于PIC(Particle In Cell)方法的仿真程序,计算了航天器表面各材料的充电电位及其附近的等离子体的电位分布,以及低能电子、高能电子、二次电子和光电子的密度分布和充电电流分布,最后探讨了航天器不同表面材料电势随时间的变化情况。

亲电子尘埃在等离子体中带电的PIC方法研究

为了考察亲电子效应(包含斥电子效应)对等离子体中尘埃带电的影响,建立了基于粒子网格(particle in cell,PIC)技术的尘埃带电计算方法.在物理上使用表面附加电荷来表征亲电子效应,并在计算方法中增加了相应的数学描述.基于该方法,开展了多个场景例的计算,结果表明:亲电子效应越强,尘埃平衡电荷量就越大,且其平衡电荷量增幅与表面附加电荷面密度有着近似的正比关系;类似地,斥电子尘埃同样具有这种正比关系,但与亲电子尘埃不同的特点是,斥电子尘埃达到平衡电荷量的用时更长;此外,尘埃的粒径越大,亲电子效应所带来的平衡电荷量提升效果就越显著.该方法实现了对等离子体中亲电子尘埃带电的计算能力.通过该方法的计算表明,亲电子材质对等离子体中尘埃带电可以造成影响,且当亲电子效应足够强时,影响效果将不可忽视.

基于NVIDIA Kepler的PIC方法并行

PIC方法是计算等离子体物理中广泛使用的一种计算方法。通常情况下需要使用大量的计算粒子以达到高的计算精度,这导致非常庞大的计算量。因而PIC方法的加速研究对于减少其时间成本非常有意义。设计了一个基于NVIDIA Kepler GPU的PIC算法,并使用CUDA在GPU上实现了该算法。在PIC方法中最耗时间的两个函数collision和mover被移植到GPU上。在实验中使用了NVIDIA新发布的Kepler K20GPU进行这两个函数的性能测试,相比于Intel Sandy Bridge E5-2650,最高获得了30倍的加速。

放电等离子体粒子云网格蒙特卡罗模拟的分层级验证方法

当前,科学计算的验证主要针对基于确定性偏微分方程组的网格离散方法。放电等离子体的粒子云网格PIC方法作为一种粒子-网格耦合的仿真手段,其验证方法具有显著不同的特点:第一,PIC仿真除了在时间和空间上进行离散,还需要对粒子数权重进行离散;第二,离散粒子的相空间分布函数是否适合作为验证研究的观测量;第三,粒子-网格耦合过程中的电场插值和电荷分配会影响PIC仿真的全局收敛精度。另外,当PIC方法与蒙特卡罗(MC)方法耦合时,离散误差和随机误差通常叠加在一起,理查德森外推需要结合系综平均进行。提出了一种分层级验证的方法。首先对单粒子轨道、电磁场求解、二体粒子碰撞进行收敛精度阶测试;然后采用空间电荷限制流、气体的傅里叶流动等具有精确解的经典物理模型分别对集成PIC、MC模块进行离散误差评估;最后采用放电物理过程对程序功能进行基准校验。

基于PIC方法的二维束流动力学模拟程序及其初步应用

为了深入研究强流负氢束在强流质子回旋加速器CYCIAE-100轴向注入线中的传输,利用split-operator方法分解外场和束流自身的空间电荷场的作用.对外场利用单粒子跟踪技术,采用一阶线性近似;对空间电荷场采用PIC方法,利用快速傅里叶变换求解Poisson方程.用FORTRAN95语言开发了一个基于面向对象技术的二维宏粒子传输计算程序CYCPIC2D,本程序可以计算任意分布的强流束在输运线上的传输.最后给出了对CYCIAE-100注入线的模拟计算结果,并和程序ORBIT,TRACE 3-D的结果进行比对验证,结果表明:空间电荷效应在此注入线上有较大的影响,而且3个程序计算的不同中性化的结果基本上一致;束流强度达到几十毫安时,基于PIC方法的两个程序CYCPIC2D和ORBIT的计算结果完全吻合,而线性近似程序TRACE 3-D有明显差异.

基于PICS域划分的敏捷兵力行为分析、建模方法研究

敏捷兵力行为建模急需要有效的行为分析、建模方法提供支持。根据NCW(Network Centric Warfare)和敏捷兵力的相关理论研究成果,提出了基于PICS(Physical-Information-Cognitive-Social)域划分的敏捷兵力行为分析、建模方法,并就其实现思想进行了阐述;在此基础上,应用该方法对敏捷兵力的敏捷作战行为进行了分析、建模实现。

轴对称系统等离子体数值模拟电荷、电流分配CIC方法

采用体积加权CIC方法 ,对轴对称系统等离子体模拟PIC方法中的节点电荷和电流计算进行了详细讨论 ,推导出节点电荷和电流的计算公式 ,可用于轴对称系统 2 12

改进的三维电磁PIC系统模拟并行算法

为了更好地实现对大尺度器件的模拟,以及更系统地验证和解决高功率微波系统在设计和实验中负载变化等影响,在进一步深入研究电磁PIC并行算法的基础上,运用MPI消息传递函数做出了改进。提出了一种整体建模、分段解析的并行算法,并从并行时序算法入手,通过减少一次同步提高了计算的效率。最后经过一个磁绝缘线振荡器进行验证,改进的算法正确,并且当计算进程数4个增加到16个时,计算速度能提高2.5倍左右。

真空电子器件的粒子模拟方法

简要介绍了真空电子器件辐射原理和数值模拟方法,给出了粒子模拟方法的研究进展。讨论了真空电子太赫兹源器件的特点及其对数值模拟方法的要求。给出了高功率微波源和太赫兹源器件的数值模拟算例。提出了用于真空电子源器件模拟的PIC方法的未来技术发展,包括动量能量守恒的粒子模拟方法、精确的几何和物理建模、阴极发射模型、有耗介质的处理和基于全局优化的器件设计方法等。

Ar射频放电特性随时间演化的PIC／MCC模拟

采用等离子体粒子模拟方法(PIC/MCC)方法对一维模型模拟了容性耦合等离子体(CCP)源放电过程中等离子体的动力学行为。在模拟氩气放电的过程中,综合考虑了电子与Ar之间的弹性碰撞、激发、电离以及Ar与Ar+之间的弹性碰撞和电荷交换过程。由模拟结果可知,射频极板附近鞘层区域在极短时间内形成,其厚度随着时间的增加而增厚;而射频极板处的粒子通量随着时间的增加逐渐减小。经过一段时间后,射频极板处平均粒子通量、平均电流以及鞘层平均厚度逐渐趋于平衡。在鞘层区域电流主要由位移电流构成,在等离子体区域电流主要由传导电流贡献。最后讨论了达到平衡态后等离子体密度、电势、电场强度和能量的空间分布情况。

平等板等离子体鞘层演化过程的PIC模拟研究

为了详细描述等离子体形成过程中鞘层的产生、演化过程,建立了平等板内部等离子体流动过程的PIC模型。在考虑壁面二次电子发射的前提下,模拟得到了放电开始直到放电稳定后的平板等离子体内部和边界处的电场强度、电子密度、离子密度、电势等一系列参数分布,并分析了二次电子发射系数对鞘层厚度的影响分析。模拟结果表明:平等板内部电势相对于边界处较高,中部的电场强度为零,电子密度近似等于离子密度,而在边界处电子密度略低于离子密度,电场方向指向边界处,在等离子体边界处有明显的鞘层。

Identification of structural entities in NdF_3-LiF melts with cryoscopic method

Nd-F species in NdF3-LiF melts were studied using cryoscopic method.Liquidus temperatures of melts of various compositions were determined by differential thermal analysis(DTA).Based on the different model calculations,NdF4- was identified as the most likely Nd-F entity in the melts in which the mole fraction of NdF3 was lower than 20%,considering only one single Nd species in the melt,and which was formed in accordance with Temkin model or Flood model.Then,activities of different components in the melts were researched.The results show that activity of LiF decreases,and that of NdF3 increases with increasing the mole fraction of NdF3.The value of activity coefficient of NdF3 is higher than 1,and that of LiF is lower than 1.

C波段磁绝缘线振荡器的理论设计与实验

通过理论分析与计算,设计加工了一个C波段磁绝缘线振荡器(MILO),并进行了实验研究.在二极管电压为437～464 kV、二极管电流为36～39 kA的条件下,从实验上获得了功率为1.60～1.68 GW、频率为3.60～3.66 GHz、脉宽为33～38 ns的TEM模高功率微波辐射,功率转换效率大于9%.

利用负载电流产生微波的新型MILO

为了进一步提高MILO产生微波的功率和效率,提出了其负载电流能量全部利用来产生微波的新思想。设计并运用二维全电磁PIC方法模拟了基于此思想的新型MILO,它是传统MILO与VCO的有机结合(简称MVO)。模拟结果表明MVO中MILO部分与作为MILO负载的VCO部分各自工作正常,VCO部分产生微波的主频受MILO部分产生微波的牵引。在输入25GW电功率(工作电压约500kV)下,与相应传统MILO相比,MVO的微波平均输出功率提高了500MW,效率从6%提高到了8%。

离子推力器栅极系统电子反流阈值的数值分析

阻止束流等离子体中电子反流到加速栅上游区域是离子推力器加速栅负电压的主要作用之一,能够阻止电子反流的加速栅电压最小值称为电子反流阈值。加速栅电压的选择直接影响到离子推力器的工作性能和运行寿命,电子反流阈值电压是确定加速栅电压的重要参考参数。基于PIC方法计算了20cm氙离子推力器加速栅电子反流阈值,并分析了加速栅孔径、栅间距、单孔引出束流电流大小对加速栅电子反流阈值电压的影响,计算结果与试验测量值符合较好。该数值模型为加速栅参数的选择和降低电子反流失效风险方法提供了参考,为下一步电子反流现象对加速栅寿命的预测分析奠定了基础。

低地球轨道航天器表面充电及其环境影响因素

低地球轨道(LEO)航天器(简称低轨航天器)表面充电电位及附近等离子体分布受空间环境条件的影响,空间环境变化引起的表面电位及附近等离子体分布变化会影响星上探测载荷的功能发挥。为此,通过建立低轨航天器表面电位3维仿真模型,计算了光照区、阴影区、极区极光椭圆区内,航天器表面不同材料及航天器结构地的充电电位和充电时间。研究结果表明:无光照时,航天器表面不等量带电很小,结构地电位为-0.7 V,当航天器经过存在极光电子沉降的极区时,表面不等量带电电位差>500 V;有光照时,航天器表面不等量带电电位差约为几十V,并且随着太阳电池阵偏置电位的增大而增大,同时航天器形成的尾迹形状随光照条件的变化而改变。计算数据为科学探测载荷的安装位置及主动电位控制提供了参考。

渐变型C波段磁绝缘线振荡器

用二维全电磁ＰＩＣ方法对具有渐变尺寸的磁绝缘线振荡器（ＭＩＬＯ）进行了数值模拟。研究这种改进型的ＭＩＬＯ装置在Ｃ波段获得最大功率输出的参数条件，并从物理上阐述了它比传统的同轴ＭＩＬＯ装置功率有所提高的物理机制。

紧凑型L波段磁绝缘线振荡器的实验设计

设计加工了一个L波段磁绝缘线振荡器 (MILO) ,并进行了实验研究。在二极管电压为 5 15～5 38kV ,二极管电流为 5 8～ 6 1kA的条件下 ,获得了频率为 1.76～ 1.78GHz,功率为 2 .2～ 2 .5GW的TM0 1模高功率微波辐射 ,功率转换效率为 7.3%～ 7.9%。

径向渡越时间振荡器的数值模拟

用 2 .5维 PIC程序对径向渡越时间振荡器进行了数值模拟 ,给出了产生微波的详细物理图像 ,得出了输出微波功率与提取口大小、腔的径向间距、场模式之间的关系。模拟得到了峰值功率约5 0 0 MW,频率 5 GHz的 TEM1波 ,起振时间 1 5 ns,峰值效率大于 30 %

紧凑型L波段磁绝缘线振荡器的粒子模拟

采取减小阴极杆半径和长度、阴阳极间隙、叶片的长度和厚度及慢波结构周期的办法构造了一种紧凑型磁绝缘线性振荡器(MILO),并用2.5维全电磁PIC方法对这一器件进行了粒子模拟研究。该装置主频为1.9GHz,饱和后平均输出功率达5.4GW,束波转换效率达12%。紧凑型MILO结构能避免电击穿,电子束发射的对称性较易控制。