140ghz回旋振荡管谐振腔的并行三维粒子模拟研究

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1、ｆ＇｝？■４各斗寺化Ａ葦ＵＮＩＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＯＦＣＨＩＮＡＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＥＬＥＣＴＲＯＮＣＳＣＩＥＮＣ硕±学位论文ＭＡＳＴＥＲＴＨＥＳＩＳ／１Ｌ＾＼＂．／．（Ｘ＇ｅ容Ｙ＂．＇．．，祭／论文题目１４０ＧＨｚ回旋振荡管谐振腔的并行兰维粒子模拟研究学科专业等离子体物理学号２０１３２１０４０１０６ｆ作者姓名Ｔ未指导教师起青教授分类号＾注ＵＤＣ＾学位论文１４０ＧＨＺ回旋振荡管谐振腔

2、的并行；维粒子模拟妍究（题名和副题名）了未（作者姓名）指导教师赵青教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别ｇ±学科专业等离子体物理．提交论文日期２０１６．０５．０５论文答辩日期２０１６０５．２０学位授予单位和日期电子科技大学２０１６年０６月答辩委员会主席刮速畫＿＿评阅人速聋卿亥於注１：注明《国际十进分类法ＵＤＣ》的类号。独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，。据我所知除了文中特

3、别加标注和致谢的地方夕ｈ论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为我获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。。作者签名：了＾日期：年？＾月２日论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可ｙｘ采用影

4、印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论了文在解密后应遵守此规定）作者签名：导师签名：城爭■日期：２々化年５月如日StudyofThree-DimensionalParallelParticle-In-CellSimulationof140GHzGyrotronCavityAMasterThesisSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:PlasmaPhysicsAuthor:DingWeiSu

5、pervisor:Prof.ZhaoQingSchool:SchoolofPhysicalElectronics摘要摘要从二次世界大战出现的用于雷达的磁控管，再到后来用于科学实验的粒子加速器，真空器件得到了长足的发展，如用于通信的行波放大器件，用于波加热的振荡器件等。用于ITER计划的等离子体波加热的回旋振荡管一直是研究热点，回旋管在设计的时候需要依靠自洽非线性理论和从第一原理性出发的粒子模拟方法。从上世纪七十年代开始，PIC技术的数学框架基本确立，但是随着应用领域的发展，粒子模拟技术为了适应不同情况下的仿真，不断的完善发展

6、。粒子模拟是在知道一定的物理作用机制下，对相应的物理问题进行建模，运用计算机技术，对于一些非线性方程进行求解和演化，其中方程的自洽，方程的解的收敛，方程的简化或者优化，都是难点，尤其是数值计算会带来一些异常情况，比如数值发散，数值异常振荡，数值噪声等。所以又要求我们引入数值方法改进，比如一些数值滤波等，才能得到理想的结果。粒子模拟方法的的出现，使回旋管计算相对于经典半解析半数值的方法，更加接近于真实物理情况。而比较通用的粒子模拟软件有MAGIC，KARAT，CST，VSIM等。但是在运算速度上和一些特殊情况处理上商业软件不能

7、很好解决回旋振荡管仿真模拟问题，为此本论文从学习基础的粒子模拟算法着手，研究等离子粒子模拟算法在回旋振荡管中的应用并编写粒子模拟程序。本论文对三段式的回旋振荡管谐振腔进行相应粒子模拟算法研究。内容包括：1.结合FDTD方法中的Yee网格技术，和粒子模拟的蛙跳模型，应用差分化方程，对电磁吸收边界CPML吸收效果进行了分析和验证，并且研究了当粒子出现在PML层中场的情况。学习电磁场的滤波算法，比较电磁场中心差分方法、时偏算法和高Q值方法对于电磁场的影响。2.学习了基于蛙跳法的粒子运动方程，粒子推进的直接法和Boris方法，并且给

8、出两种方法的比较。学习满足电流连续性原理的电流密度权重方法。研究粒子的发射模型，包括束发射模型和满足空间电荷限制的发射模型，论述他们的合理性和优缺点，最后选择回旋发射模型运用到粒子模拟程序中。3.学习OpenMP并行技术，搭建并行环境，采用基于共享内存的隐式并行的方式。对电磁场迭代，粒子运