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嵌入神经网络的等离子体粒子模拟算法特性分析

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计算物理 2024年

作者：郑宇佳卓红斌李明强郭志坚张华深圳技术大学工程物理学院

Particle-In-Cell（PIC）粒子模拟方法是开展等离子体动理学物理研究的重要数值模拟方法之一。本文构建一个由相空间到静电场的端到端神经网络模型，并将其嵌入至一维静电PIC粒子模拟算法中，以替代传统泊松求解器的方式，实现了神经网... 详细信息

Particle-In-Cell（PIC）粒子模拟方法是开展等离子体动理学物理研究的重要数值模拟方法之一。本文构建一个由相空间到静电场的端到端神经网络模型，并将其嵌入至一维静电PIC粒子模拟算法中，以替代传统泊松求解器的方式，实现了神经网络算法和传统粒子模拟方法的有效融合。开展等离子体双流不稳定性物理问题的模拟计算，通过观测算法运行过程中相空间演化及电势能增长趋势，验证了该方法的可行性，并测试获得其计算性能。研究结果表明，在短时长训练集的输入训练的情况下，该方法能够实现4倍数据集时长的准确模拟。同时，该方法在一定程度上能够突破显式粒子模拟时间步长的约束条件，进而可以有效减少模拟问题的总迭代计算次数。

关键词：粒子模拟神经网络 Particle-in-cell 双流不稳定性

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二维双流不稳定性静电粒子模拟

核聚变与等离子体物理 2022年第2期42卷 257-263页

作者：赵炳炎陈宗华玉林师范学院物理与电信工程学院玉林537000

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... 详细信息

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。

关键词：粒子模拟双流不稳定性双温电子相空间空洞

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粒子模拟中波导激励源的设计与实现

强激光与粒子束 2006年第12期18卷 2019-2024页

作者：周俊祝大军刘大刚刘盛纲电子科技大学物理电子学院成都610054

讨论了粒子模拟中用时域有限差分(FDTD)法设计波导激励源的常见问题,并根据波的传播特性,提出一种模拟波导激励源的新方法,给出通用的计算公式,讨论了几种特殊情况下的算法修正。给出了2维柱坐标系下磁绝缘线振荡器(MILO)计算实例,结果... 详细信息

讨论了粒子模拟中用时域有限差分(FDTD)法设计波导激励源的常见问题,并根据波的传播特性,提出一种模拟波导激励源的新方法,给出通用的计算公式,讨论了几种特殊情况下的算法修正。给出了2维柱坐标系下磁绝缘线振荡器(MILO)计算实例,结果表明:该方法能模拟较为复杂的波导激励源,并有效消除了激励源边界处的虚假反射,与传统波导激励源模拟方法比较,验证了该方法的正确性与优越性。

关键词： FDTD法粒子模拟电磁场激励源

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粒子模拟激光斜入射边界条件的处理

计算物理 2004年第6期21卷 509-514页

作者：李斌刘占军郑春阳朱少平北京应用物理与计算数学研究所北京100088

　讨论了电磁场模拟中的非反射边界条件,详细推导了斜入射情况非反射边界条件的有限差分格式,并在粒子模拟程序LARED P上将其实现,同时给出了激光斜入射时的数值模拟结果.

关键词：边界条件粒子模拟激光斜入射反射有限差分格式推导电磁场

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粒子模拟中的一种高频噪声抑制算法

计算物理 2011年第2期28卷 243-249页

作者：刘大刚周俊杨超蒙林电子科技大学物理电子学院四川成都610054

对粒子模拟中的高频噪声的产生机理进行分析,并给出一种既能对高频数值噪声进行过滤又能满足Q值较高的相对论型微波器件计算要求的时域有限差分(FDTD)算法———High_Q FDTD算法.在中心差分FDTD算法和时偏FDTD算法的基础上,给出High_Q... 详细信息

对粒子模拟中的高频噪声的产生机理进行分析,并给出一种既能对高频数值噪声进行过滤又能满足Q值较高的相对论型微波器件计算要求的时域有限差分(FDTD)算法———High_Q FDTD算法.在中心差分FDTD算法和时偏FDTD算法的基础上,给出High_Q算法的计算公式,并着重分析算法的稳定性与收敛性.通过对相对论返波管(RBWO)的计算,将计算结果与中心差分和时偏FDTD算法的计算结果比较,验证算法有较好的滤波特性和计算精度.

关键词：粒子模拟 FDTD算法高频噪声相对论粒子

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粒子模拟中的时偏FDTD算法

计算物理 2007年第5期24卷 566-572页

作者：周俊祝大军刘大刚刘盛纲电子科技大学物理电子学院四川成都610054

给出一种能自动对高频噪声进行过滤的时域有限差分(FDTD)算法,称为时偏FDTD算法.在中心差分FDTD算法的基础上,引入时间偏置和松弛迭代处理,得到该算法的计算公式,并进行稳定性与收敛性分析.通过对相对论磁控管的计算,与中心差分FDTD算... 详细信息

给出一种能自动对高频噪声进行过滤的时域有限差分(FDTD)算法,称为时偏FDTD算法.在中心差分FDTD算法的基础上,引入时间偏置和松弛迭代处理,得到该算法的计算公式,并进行稳定性与收敛性分析.通过对相对论磁控管的计算,与中心差分FDTD算法比较,验证了该算法的滤波特性.

关键词：粒子模拟 FDTD算法高频噪声相对论粒子

偏滤器鞘层中杂质对钨靶板侵蚀影响的粒子模拟研究

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偏滤器鞘层中杂质对钨靶板侵蚀影响的粒子模拟研究

作者：孙振月大连理工大学

学位级别：硕士

托卡马克是当前最有可能实现可控核聚变的实验装置之一。偏滤器主要用来排除聚变反应产生的能量和氦灰。大量的粒子和能量沉积到偏滤器靶板,使得偏滤器成为等离子体与器壁相互作用的主要区域。钨是偏滤器靶板主要候选材料,但是钨杂质具... 详细信息

托卡马克是当前最有可能实现可控核聚变的实验装置之一。偏滤器主要用来排除聚变反应产生的能量和氦灰。大量的粒子和能量沉积到偏滤器靶板,使得偏滤器成为等离子体与器壁相互作用的主要区域。钨是偏滤器靶板主要候选材料,但是钨杂质具有高原子序数,与芯部等离子体不兼容,进入芯部的钨杂质过多可能会引起装置熄火。瞬时事件如边缘局域模(ELMs,edge-localized modes)会加剧等离子体与器壁相互作用。因此有必要研究钨靶板的侵蚀以及侵蚀出的杂质的输运过程。靶板的侵蚀与偏滤器附近尤其是鞘层区域的等离子体参数密切相关,粒子模拟可以自洽地模拟鞘层从而成为研究这一问题的有力工具。本文开发了一维的粒子模拟程序,对钨偏滤器靶板的侵蚀进行了研究,同时开发了三维蒙特卡罗程序,来研究钨杂质在偏滤器靶板附近的输运及再沉积。论文的具体研究内容和研究结果如下:采用一维粒子模拟程序研究了偏滤器等离子体中杂质离子(C和Be)对于钨靶的溅射侵蚀,研究了等离子体温度对于入射到靶板上的杂质粒子流和能流、入射离子的能量分布和角度分布以及钨靶板侵蚀速率的影响,比较了氢离子和杂质离子对于钨靶板侵蚀的贡献大小。结果显示,离子的入射角几乎不受等离子体温度变化的影响;氢离子(H)对于钨靶板的侵蚀作用很小,杂质离子对钨靶板的侵蚀起主要作用;钨靶板的侵蚀速率随着温度升高和杂质粒子含量增多而增大。采用一维粒子模拟程序模拟了ELMs期间钨偏滤器靶板的侵蚀,并采用三维蒙特卡罗程序模拟了侵蚀出的钨杂质在偏滤器附近的输运及再沉积。模拟给出了ELMs期间沉积到偏滤器靶板的能流以及钨偏滤器靶板的侵蚀速率随时间的演化,并给出了钨杂质的再沉积比例、价态分布和空间分布,分析了影响钨杂质再沉积的因素。模拟结果显示,鞘层内电离的钨杂质比鞘层外电离的钨杂质的再沉积率要高;绝大部分钨原子电离成为钨离子并在电场和磁场的共同作用下发生再沉积;空间分布的钨杂质主要集中在偏滤器靶板附近的区域;超出模拟区域的钨杂质所占比例很低。

关键词：粒子模拟钨偏滤器靶板器壁侵蚀杂质输运

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粒子模拟中阳极栅网模型的实现

强激光与粒子束 2010年第9期22卷 2097-2102页

作者：杨超刘大刚周俊夏蒙重杨宇鹏徐旭光电子科技大学物理电子学院成都610054

在3维Yee网格和蛙跳模型上建立了一种合理的描述阳极栅网中电子散射过程的物理模型,在经典碰撞理论基础上推导了散射角和动量公式,并运用蒙特卡罗法模拟了高斯分布电子束在径向虚阴极情景下的阳极栅网散射过程。模拟结果出现了明显的虚... 详细信息

在3维Yee网格和蛙跳模型上建立了一种合理的描述阳极栅网中电子散射过程的物理模型,在经典碰撞理论基础上推导了散射角和动量公式,并运用蒙特卡罗法模拟了高斯分布电子束在径向虚阴极情景下的阳极栅网散射过程。模拟结果出现了明显的虚阴极现象,平均功率0.60GW,虚阴极效率4.5%,微波主频4.7GHz,主模是TM01模。这些参数与文献模拟的数据基本符合,证明了虚阴极中阳极栅网数值模拟实现的正确性。

关键词：粒子模拟蒙特卡罗法阳极栅网同轴虚阴极

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粒子模拟中的电磁场算法

强激光与粒子束 2010年第6期22卷 1306-1310页

作者：刘大刚周俊杨超电子科技大学物理电子学院成都610054

研究了粒子模拟中的中心差分、时偏及高品质因数时域有限差分电磁场算法,分析了相应的数值噪声机理。着重探讨了时偏及高品质因数算法对高频噪声的滤波特性,给出了这两种算法的适用范围。通过对相对论返波管的计算,将3种算法的计算结果... 详细信息

研究了粒子模拟中的中心差分、时偏及高品质因数时域有限差分电磁场算法,分析了相应的数值噪声机理。着重探讨了时偏及高品质因数算法对高频噪声的滤波特性,给出了这两种算法的适用范围。通过对相对论返波管的计算,将3种算法的计算结果进行了比较,进一步验证了时偏及高品质因数算法对高频数值噪声的滤波特性。

关键词：粒子模拟 FDTD算法高频噪声相对论粒子