Кіріспе

Плазма физикасындағы бөлшектік дифференциалдық теңдеулердің белгілі бір класын шешуге қолданылатын математикалық әдіс – бұл жасушадағы бөлшектер (PIC) әдісі. Бұл әдісте Лагранж жүйесіндегі жеке бөлшектер (немесе сұйық элементтер) үздіксіз фазалық кеңістікте қадағаланады, ал тығыздықтар мен токтар сияқты үлестіру моменттері бір мезгілде Эйлер (тұрақты) тор нүктелерінде есептеледі. PIC әдістері 1955 жылдан бері, тіпті алғашқы Fortran компиляторлары пайда болмас бұрын қолданылып келді. Бұл әдіс 1950 жылдардың соңы мен 1960 жылдардың басында Бунман, Доусон, Хокни, Бердсолл, Морс және басқалардың плазманы модельдеуде кең танымал болды. Плазма физикасы саласындағы қолданылуында, бұл әдіс тұрақты торда есептелген өздігінен сәйкес келетін электромагниттік (немесе электростатикалық) өрістердегі зарядталған бөлшектердің траекториясын анықтауға тең.

Техникалық аспектілер

Көптеген проблемалар үшін Бунман, Доусон, Хокни, Бердсолл, Морс және басқалар ойлап тапқан классикалық PIC әдісі салыстырмалы түрде түсінікті және іске асыру оңай. Бұл, әсіресе плазмалық симуляция үшін, оның табысының көп бөлігін анықтайды, себебі әдіс әдетте келесі процедураларды қамтиды: қозғалыс теңдеулерін интеграциялау; заряд және ток көздерінің шарттарын өрістік торға интерполяциялау; желі нүктелерінде өрістерді есептеу; желіден бөлшектердің орналасқан жеріне дейін өрістерді интерполяциялау. Тек орташа өрістер арқылы бөлшектердің өзара әрекеттесуін қамтитын модельдер PM (бөлшектер торлары) деп аталады. Тікелей екілік өзара әрекеттесуді қамтитын модельдер PP (бөлшек-бөлшек) деп аталады. Екі түрлі өзара әрекеттесуді қамтитын модельдер PP PM немесе P3M деп аталады. Бастапқы күндерден бастап PIC әдісі дискретті бөлшектер шуынан туындайтын қатеге ұшырайтыны анықталды. Бұл қате статистикалық сипатта, және бүгінгі күні ол дәстүрлі тұрақты торлы әдістерге, мысалы Эйлер немесе жартылай Лагранж схемаларына қарағанда нашар түсінілген. Қазіргі заманғы геометриялық PIC алгоритмдері өте ерекше теориялық негізге негізделген. Бұл алгоритмдер дискретті манифольд құралдарын, интерполяциялық дифференциалдық формаларды және каноникалық немесе каноникалық емес симплектикалық интеграторларды қолданады, бұл өріс инварианттылығын және зарядтың, энергия-импульстің сақталуын, және ең бастысы бөлшек-өріс жүйесінің шексіз өлшемді симплектикалық құрылымын қамтамасыз етеді. Бұл қажетті ерекшеліктер геометриялық PIC алгоритмдерінің неғұрлым фундаменталды теориялық негізде құрылғандығымен және физиканың вариациялық принципімен тікелей байланысты екендігімен байланысты.

PIC плазмалық симуляция техникасының негіздері

Плазмалық зерттеулер қауымдастығында әртүрлі түрлердің (электрондар, иондар, бейтараптар, молекулалар, шаң бөлшектері және т.б.) жүйелері зерттеледі. PIC кодтарымен байланысты теңдеулер жиынтығы – бұл қозғалыс теңдеуі ретіндегі Лоренц күші, кодтың "итерушісі" немесе бөлшекті жылжытушысы деп аталатын бөлімінде шешіледі, сондай-ақ электр және магнит өрістерін анықтайтын Максвелл теңдеулері, олар (өріс) шешушіде есептелінеді.

Супер бөлшектер

Зерттелетін нақты жүйелер көбінесе құрамындағы бөлшектер саны бойынша өте үлкен болады. Симуляцияларды тиімді ету немесе оларды мүлдем мүмкін ету үшін, «супер бөлшектер» деп аталатын бөлшектер қолданылады. Супер бөлшек (немесе макробөлшек) – көптеген нақты бөлшектерді ұсынатын есептеу бөлшегі; плазма симуляциясында миллиондаған электрондар немесе иондар, ал сұйықтық симуляциясында, мысалы, айналмалы элемент болуы мүмкін. Лоренц күшінің үдеуі заряд пен массаның қатынасына ғана байланысты болғандықтан, супер бөлшектерді қайта масштабтауға рұқсат етіледі, сондықтан супер бөлшек нақты бөлшектерге ұқсас траекторияны өтеді. Супер бөлшекке сәйкес келетін нақты бөлшектердің саны бөлшектердің қозғалысы туралы жеткілікті статистика жинауға мүмкіндік беретіндей етіп таңдалуы керек. Егер жүйедегі әртүрлі түрлердің тығыздығында маңызды айырмашылық болса (мысалы, иондар мен бейтарап бөлшектер арасында), олар үшін жеке нақты бөлшектер мен супер бөлшектердің қатынастарын қолдануға болады.

Қолданбалар

Плазма физикасы саласында PIC симуляциясы лазерлік плазманың өзара әрекеттесуін, электрондардың үдеуін және иондардың қыздырылуын полярлық ионосферада, магнитогидродинамиканы, магниттік қайта қосылуды, сондай-ақ ион температурасы градиентін және токамактардағы басқа да микротұрақсыздықтарды, вакуумдық разрядтарды және шаңды плазмаларды зерттеуде табысты қолданылды. Гибридтік модельдер кейбір түрлерді кинетикалық түрде өңдеу үшін PIC әдісін пайдаланады, ал қалған түрлер (максвеллдық) сұйықтық модельмен симуляцияланады. PIC симуляциялары плазма физикасынан тыс, қатты дене және сұйықтық механикасының мәселелеріне де қолданылған.

Электромагниттік бөлшектер-көктегі есептеу қолданбалары

Есептеулік қолданба Веб-сайт Лицензия Қолжетімділік Каноникалық сілтеме SHARP Жеке ALaDyn GPLv3+ Ашық репозиторий: EPOCH GPLv3 Ашық репозиторий: FBPIC 3 Тарау BSD LBNL Ашық репозиторий: LSP Жеке ATK MAGIC Жеке ATK OSIRIS GNU AGPL Ашық репозиторий PICCANTE GPLv3+ Ашық репозиторий: PICLas GPLv3+ Ашық репозиторий: PIConGPU GPLv3+ Ашық репозиторий: SMILEI CeCILL B Ашық репозиторий: iPIC3D Apache License 2.0 Ашық репозиторий: Виртуалды лазерлік плазма зертханасы (VLPL) Жеке Белгісіз Tristan v23 3 Тарау BSD Ашық кодты, бірақ QED/сәулелену модульдері бар жеке нұсқасы да бар VizGrain Жеке Esgee Technologies Inc. компаниясынан коммерциялық түрде қолжетімді VPIC 3 Тарау BSD Ашық репозиторий: VSim (Vorpal) Жеке Tech X Corporation компаниясынан қолжетімді Warp 3 Тарау BSD LBNL Ашық репозиторий: WarpX 3 Тарау BSD LBNL Ашық репозиторий: ZPIC AGPLv3+ Ашық репозиторий: ultraPICA Жеке Plasma Taiwan Innovation Corporation компаниясынан коммерциялық түрде қолжетімді.