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基于表面阻抗边界条件的快速PIC模拟研究

基于表面阻抗边界条件的快速PIC模拟研究

作者：陈立志电子科技大学

学位级别：硕士

粒子模拟(PIC)方法是一种研究电磁场与带电粒子自洽互作用物理过程的数值模拟方法,在军事国防,航空航天等领域有重要应用。PIC方法中的求解电磁场过程通常采用时域有限差分(FDTD)方法进行。在使用FDTD方法求解电磁问题的过程中,当电磁... 详细信息

粒子模拟(PIC)方法是一种研究电磁场与带电粒子自洽互作用物理过程的数值模拟方法,在军事国防,航空航天等领域有重要应用。PIC方法中的求解电磁场过程通常采用时域有限差分(FDTD)方法进行。在使用FDTD方法求解电磁问题的过程中,当电磁目标较为复杂时,比如媒质交界面模型,往往需要细密的网格划分。但是为了满足稳定性条件,又不可过于细密。此时引入表面阻抗边界条件(SIBC)可以减少这种网格划分,直接使用粗网格,同时也避免了研究复杂电磁目标内部的电磁场,简化了计算过程。本论文对“把SIBC引入FDTD方法”的现有算法做了研究,分析了各种算法的优劣势及适用范围,并参考现有算法的基本思路提出了一种新的算法。本论文的主要研究内容有:1.研究SIBC在FDTD方法中的实现原理,对算法作详细推导并进行数值算例分析。本论文首先介绍了Maloney-Smith算法,该算法采用的思路是“先时域变换再近似”,计算复杂且效率不高。随后介绍了简单高效的良导体近似算法和一阶有理近似算法,二者采用的思路是“先近似再时域变换”。数值算例结果表明良导体近似算法仅限于良导体情况,而一阶有理近似算法具有更广的适用范围。2.参考“先近似再时域变换”的思路,提出泰勒展开近似算法。本论文使用一种巧妙的泰勒展开方式对表面阻抗作近似处理,相比于一阶有理近似算法无需进行复杂的参数计算。本论文给出了详细推导过程及数理论证,并分析了算法的误差及运算复杂度。最后分析了数值算例,结果表明泰勒展开近似算法在低电导率,高频率的情况下的算法精度可以优于一阶有理近似算法。3.对SIBC-FDTD算法进行代码实现,并与快速PIC模拟的其他模块进行耦合,在自研的仿真软件玉衡(Alioth)中添加表面阻抗边界功能。本论文给出了仿真算例分析,并与CST进行了对比,从无源和有源两个方面验证了算法的正确性,说明SIBC-FDTD可以为复杂电磁目标分析提供新的解决方案。

关键词：粒子模拟方法时域有限差分方法表面阻抗边界条件一阶有理近似泰勒展开近似

真空及近地磁场环境下带电粒子束团长程传输特性研究

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真空及近地磁场环境下带电粒子束团长程传输特性研究

作者：王希华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着空天物理技术和科技实验手段的发展和进步,带电粒子长程传输作为多学科的基础物理问题受到越来越多的关注,其在各个领域的应用也愈加广泛,如空天探测,空间到靶任务等。相比于短程,带电粒子束团的长程传输由于传输距离更远、传输背... 详细信息

随着空天物理技术和科技实验手段的发展和进步,带电粒子长程传输作为多学科的基础物理问题受到越来越多的关注,其在各个领域的应用也愈加广泛,如空天探测,空间到靶任务等。相比于短程,带电粒子束团的长程传输由于传输距离更远、传输背景更加复杂多变,导致传输过程中束团的束流品质变化更加明显,故短程传输时诸多可以忽略的影响因素在此必须予以考虑,如自身发射度、自生电荷效应等。由于实验设备和技术的限制,目前带电粒子长程传输研究大多采用理论计算或模拟仿真方法,但面临着理论过于简单、计算资源不足以及电磁噪声干扰严重等难题。因此,带电粒子的长程传输仍有诸多问题丞待研究和解决。本文以此为背景,针对带电粒子束团长程传输的计算技术、模型构建及传输特性展开系统研究,主要研究工作和成果如下:1.考虑带电粒子束团长程传输过程中不可忽略的“自身发射度、自生电荷效应”等影响因素,结合束团的物理形态,分别建立适用于二维片状束团和三维圆柱形束团长程传输的理论模型和仿真模型,以此实现带电粒子束团长程传输过程的计算和模拟。2.在粒子模拟方法的基础上,首先引入移动窗技术,缓解“粒子束团有效运动空间占比小”等问题带来的计算资源压力;同时抛弃传统电磁模型,选择“准电磁模型”,减弱各种电磁干扰;最终建立真空环境下带电粒子长程传输的仿真模型,实现km量级的长程传输模拟。且理论解析方程计算所得结果与模拟所得结果高度拟合,验证了仿真模型的合理性和正确性。3.利用真空环境下带电粒子束团长程传输模型,模拟二维片状束团和三维圆柱形束团的km量级长程传输,分析束团的传输结果和传输特性。选择二维片状束团,对其传输过程中更为细致的物理过程--轴向效应进行研究,分析轴向空间电荷效应和瞬态电磁效应在束团传输过程中的作用机理和影响效果,探究了两效应随束团初始流强和能量的变化规律。4.为进一步提高仿真模型普适性,将传输背景复杂化,改进传统的移动窗技术并结合微脉冲融合技术,建立了近地磁场环境下的带电粒子束团长程传输模型。利用此模型模拟三种不同磁场环境下相对论电子束团的长程传输过程,分析束团束流品质的变化情况以及不同方向磁场对束团传输的影响规律。

关键词：带电粒子束团长程传输粒子模拟方法移动窗技术轴向效应束流品质

腔体双边二次电子倍增一阶与三阶模式瞬态特性对比

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物理学报 2017年第20期66卷 222-232页

作者：董烨刘庆想庞健周海京董志伟西南交通大学物理科学与技术学院成都610031 北京应用物理与计算数学研究所北京100094 中国工程物理研究院流体物理研究所绵阳621900

为评估高阶模式二次电子倍增对加速器射频腔动态建场过程的影响,采用蒙特卡罗与粒子模拟相结合的方法对金属无氧铜腔体双边二次电子倍增一阶与三阶模式的瞬态演化及饱和特性进行了数值模拟对比研究.研究结果表明:二次电子倍增过程中,二... 详细信息

为评估高阶模式二次电子倍增对加速器射频腔动态建场过程的影响,采用蒙特卡罗与粒子模拟相结合的方法对金属无氧铜腔体双边二次电子倍增一阶与三阶模式的瞬态演化及饱和特性进行了数值模拟对比研究.研究结果表明:二次电子倍增过程中,二次电子数目、放电电流、放电功率、沉积功率随时间呈现以指数形式快速增长后趋于饱和振荡的物理规律;相对一阶模式,三阶模式的饱和值更低且上升时间更长.放电电流存在延时现象,由此引发了二次电子倍增过程中部分充电现象的出现.统计发现平均放电功率等于平均沉积功率,三阶模式的放电功率大约是一阶模式1%的水平,由此判断加速器腔体动态建场过程中高阶模式的影响较小.二次电子倍增过程中,一阶模式呈现单电子束团加速运动特性,而三阶模式则呈现加速/减速/加速及多电子束团相向运动的复杂特性;二次电子倍增进入饱和后,三阶模式的空间电荷效应明显弱于一阶模式.

关键词：双边二次电子倍增瞬态演化蒙特卡罗方法粒子模拟方法

材料二次电子产额对腔体双边二次电子倍增的影响

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物理学报 2018年第3期67卷 209-216页

采用蒙特卡罗抽样与粒子模拟相结合的方法,数值研究了材料二次电子产额对腔体双边二次电子倍增瞬态演化及饱和特性的影响.研究发现:随着材料二次电子产额的增加,二次电子增长率以及稳态二次电子数目和振幅均呈现增加的趋势,放电电流起... 详细信息

采用蒙特卡罗抽样与粒子模拟相结合的方法,数值研究了材料二次电子产额对腔体双边二次电子倍增瞬态演化及饱和特性的影响.研究发现:随着材料二次电子产额的增加,二次电子增长率以及稳态二次电子数目和振幅均呈现增加的趋势,放电电流起振时间逐步缩短,稳态电流幅值以及放电功率平均值和振幅值均呈现逐步增加并趋于饱和的规律,沉积功率波形延时以及脉宽呈现逐步增加并趋于饱和的趋势.粒子模拟给出了高/低二次电子产额情况下的电子相空间分布、电荷密度分布、平均碰撞能量、平均二次电子产额、二次电子数目和放电电流的细致物理图像.模拟结果表明:高二次电子产额材料,饱和时更倾向趋于单边二次电子倍增类型分布;低二次电子产额材料的二次电子倍增饱和特性由空间电荷场的"去群聚"效应和"反场"效应同时决定,而高二次电子产额材料的二次电子倍增饱和特性则主要是由发射面附近的强空间电荷场"反场"效应决定的.

关键词：双边二次电子倍增瞬态特性材料二次电子产额蒙特卡罗方法粒子模拟方法

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电子回旋共振放电中电子能量分布特性的研究

电子科技大学学报 2009年第5期38卷 562-567页

作者：杨中海金晓林电子科技大学物理电子学院成都610054

建立了电子回旋共振(ECR)放电的粒子模型,编制了准三维电磁模粒子模拟与蒙特卡罗模拟程序。通过对氩气ECR放电电离过程的理论分析与数值模拟,得到了放电稳态形成时不同放电区域的电子能量分布。研究了不同中性气压以及外加磁场位形对这... 详细信息

建立了电子回旋共振(ECR)放电的粒子模型,编制了准三维电磁模粒子模拟与蒙特卡罗模拟程序。通过对氩气ECR放电电离过程的理论分析与数值模拟,得到了放电稳态形成时不同放电区域的电子能量分布。研究了不同中性气压以及外加磁场位形对这些区域中电子能量分布特性的影响。随着中性气压的升高,远离ECR区域中的低能电子减少,高能电子增加,而ECR区域中电子能量分布变化特征与之相反;相对于收敛磁场位形,磁镜磁场位形更有利于约束放电下游区的电子能量以及电子能量分布的宽度。

关键词：电子回旋共振放电电离蒙特卡罗方法粒子模拟方法

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采用超薄双层靶提高质子束的单能性

强激光与粒子束 2010年第7期22卷 1548-1552页

作者：陈红雅徐涵银燕田成林邵福球马燕云国防科学技术大学理学院物理系长沙410073 空军工程大学理学院数理系西安710051 国防科学技术大学计算机学院长沙410073 中国工程物理研究院激光聚变研究中心四川绵阳621900

利用1维粒子模拟程序,研究了超短超强激光脉冲与超薄双层靶(基底层和加速层厚度均为nm量级)相互作用产生准单能质子束的过程。研究表明,基底层厚度及加速层厚度对质子能谱的影响至关重要。减小基底层厚度,靶后静电场增强,质子的最大能... 详细信息

利用1维粒子模拟程序,研究了超短超强激光脉冲与超薄双层靶(基底层和加速层厚度均为nm量级)相互作用产生准单能质子束的过程。研究表明,基底层厚度及加速层厚度对质子能谱的影响至关重要。减小基底层厚度,靶后静电场增强,质子的最大能量显著增大;减小加速层厚度,靶后静电场分布变得更加均匀,质子能谱中心能量变化不大,单能性变好。通过优化参数,获得了能散度为7%的准单能质子束。

关键词：粒子模拟方法超薄双层靶质子能谱准单能

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金属双边二次电子倍增瞬态演化及饱和特性

微波学报 2016年第S1期32卷 31-35页

作者：董烨刘庆想庞健杨温渊周海京西南交通大学物理科学与技术学院成都610031 北京应用物理与计算数学研究所北京100094 中国工程物理研究院流体物理研究所绵阳621900

本文利用蒙特卡罗与粒子模拟方法对金属无氧铜材料双边二次电子倍增的瞬时演化特性和饱和物理机制进行了细致数值模拟研究。研究结果表明:二次电子数目、放电电流、放电功率、沉积功率随时间以指数形式快速增长后趋于饱和波动或振荡。... 详细信息

本文利用蒙特卡罗与粒子模拟方法对金属无氧铜材料双边二次电子倍增的瞬时演化特性和饱和物理机制进行了细致数值模拟研究。研究结果表明:二次电子数目、放电电流、放电功率、沉积功率随时间以指数形式快速增长后趋于饱和波动或振荡。随着间隙电压幅值的增加,二次电子数目、放电电流、放电功率、沉积功率均呈现先增加后减小的规律。放电电流波形相对间隙射频电压波形存在延时现象,导致二次电子倍增中存在部分充电过程;随着间隙电压幅值的增加,延时逐步缩短,二次电子倍增逐步转化为稳定放电状态。二次电子倍增发展阶段,射频相位聚焦效应占主导;二次电子倍增过程中存在明显的电子束宽度拓宽现象,当空间电荷效应与射频场对电子的相位聚焦效应平衡时,二次电子倍增进入饱和阶段。二次电子倍增过程中空间电荷场主要起到了两方面作用。首先,空间电荷效应导致电子碰撞相位发散,使电子溢出聚焦相位区间;其次,空间电荷效应导致发射面电场呈现"反场"效应直接阻止了二次电子的发射。

关键词：双边二次电子倍增蒙特卡罗方法粒子模拟方法瞬时演化特性

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注-波互作用的时域PIC数值模拟

微波学报 2010年第S1期26卷 452-454页

作者：刘涛王自成刘濮鲲中国科学院电子学研究所中国科学院高功率微波源与技术重点实验室北京100190 中国科学院研究生院北京100049

针对螺旋线行波管的注-波互作用过程,依据等效线路模型和动力学方程,采用粒子模拟方法进行时域计算,并给出部分主要的数值求解结果。本文的仿真结果基本与现有软件的模拟结果一致,同时针对由于计算模型不同而产生的计算偏差,给出了深入... 详细信息

针对螺旋线行波管的注-波互作用过程,依据等效线路模型和动力学方程,采用粒子模拟方法进行时域计算,并给出部分主要的数值求解结果。本文的仿真结果基本与现有软件的模拟结果一致,同时针对由于计算模型不同而产生的计算偏差,给出了深入的分析,为后续的研究工作奠定了重要的基础。

关键词：螺旋线行波管注-波互作用时域计算粒子模拟方法

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新型电真空器件FastPIC模拟研究

新型电真空器件FastPIC模拟研究

作者：张晓妍电子科技大学

学位级别：硕士

电真空器件的发展已有近百年历史,它无论在现代化信息社会还是在国防军事领域中都扮演着极其重要的角色。由于近些年来对电真空器件需求的性能指标日益提升,新型电真空器件也迎来了新阶段并开始研究与发展。计算机数值仿真技术对新型电... 详细信息

电真空器件的发展已有近百年历史,它无论在现代化信息社会还是在国防军事领域中都扮演着极其重要的角色。由于近些年来对电真空器件需求的性能指标日益提升,新型电真空器件也迎来了新阶段并开始研究与发展。计算机数值仿真技术对新型电真空器件进行模拟,不仅可以解决一些通过理论推导和实验难以解决的问题,而且还可以减少人力物力的支出,并缩短整个研发周期。由于数值仿真技术中的粒子模拟方法可以对一些不受几何结构限制,在理论研究阶段还不太清楚的物理科学问题进行模拟,因此近些年来得到了越来越广泛的应用。本论文从以上研究背景出发开展新型电真空器件Fast PIC模拟研究。其中包括220GHz折叠波导行波管设计研究与验证,52GHz和220GHz交错双栅行波管设计研究与验证,并针对220GHz交错双栅设计了阶梯型输入输出耦合器,主要工作内容包括以下几个部分:1.总结了电真空器件的研究现状以及新型电真空器件的研究意义,介绍了数值仿真技术且简要说明了新型电真空器件的数值仿真流程,并详细调研了其中的粒子模拟方法应用概况及国内外粒子模拟软件的发展。2.对220GHz折叠波导行波管进行设计研究。主要分为三个步骤:第一步进行理论分析并利用CST设计高频结构,优化结构参数;第二步利用BUMBLEBEE3D的微波仿真模块对传输特性进行设计;最后一步利用BUMBLEBEE 3D进行注-波互作用设计,通过CST Particle Studio验证其正确性。3.对52GHz和220GHz交错双栅行波管进行设计研究。主要分为三个步骤:第一步利用CST进行高频结构设计并优化参数;第二步利用BUMBLEBEE 3D的微波仿真模块设计传输特性,其中包括输入输出耦合器的设计,并通过CST Microwave Studio进行对比验证;最后一步进行注-波互作用设计。

关键词：新型电真空器件折叠波导交错双栅粒子模拟方法