低温等离子体PIC/MC模拟的算法研究和程序开发

Low temperature plasma physics is one of the important branches of plasma physics, including rich and interesting basic physical phenomena, as well as important applications. Particle-in-cell / Monte Carlo (PIC/MC) model is one of the important simulation methods for low temperature plasma. In this study, we will establish the corresponding physical model based on the characteristics of low temperature plasma, study the corresponding PIC / MC simulation algorithm, develop the corresponding parallel open source program, and then verify, validate and benchmark the program. We expect board applications of this code in the field of low temperature plasma.

低温等离子体物理是等离子体物理重要分支之一，包含了丰富和有趣的基本物理现象，也有重要的应用。PIC/MC(Particle-in-cell/Monte Carlo)模型是低温等离子体重要的模拟手段之一。本研究将针对低温等离子体的特性，建立相应的物理模型，研究相应的PIC/MC模拟算法，编制相应的并行化的通用开源程序，对程序进行校验、确认和定标，并针对实际的低温等离子体进行模拟研究。

低温等离子体物理是等离子体物理重要分支之一，包含了丰富和有趣的基本物理现象，也有重要的应用。PIC/MC(Particle-in-cell/Monte Carlo)模型是低温等离子体重要的模拟手段之一。本项目中，我们研究了能适用于低温等离子体源模拟的通用PIC和MC物理模型，发展了隐式和准中性近似，以及外电路等数值算法，并基于现代Fortran语法、Python、Petsc、HDF5、Cmake等工具开发了较为通用现代化的模拟程序，程序通过了校验、确认和定标。程序已经成功用于磁化容性耦合等离子体、等离子体击穿、微等离子体、负氢离子源、托卡马克启动过程等过程的研究，更清楚的揭示了等离子体击穿、低气压磁化等离子体等一系列此前模拟较为困难的问题。我们已经将程序开源，开发出的模型、算法与程序扩展了PIC/MC模型的适用范围，提高了低温等离子体的模拟能力，有望能解决低温等离子体中的一类问题，也有望用于实际工业中反应器的模拟。