脉冲功率加速器粒子模拟中若干关键技术的研究

Particle-in-cell (PIC) simulation is an important method to study pulsed power accelerator, which is widely used in the design and optimization of pulsed power accelerator. Aiming at some key technical problems in PIC simulation of pulsed power accelerator, the following four aspects are studied in this project. 1. Based on the circuit algorithm of wave transmission and PIC algorithm, the circuit boundary algorithm is developed to realize the self-consistent processing of input boundary in PIC simulation. 2. According to the effective calculation method in some relative papers, the temperature rise caused by two different mechanisms on the anode surface of magnetically insulated transmission line is simulated successfully. 3. Use the electromagnetic particle-in-cell-Monte Carlo collision (PIC-MCC) method, the ionization process of neutral gas molecules on the electrode surface is simulated successfully. 4. Use parallel computing method of partition modeling is adopted to solve the difficulty of large scale pulsed power accelerator modeling. This project will provide the help for the design and development of the next generation advanced pulsed power accelerators by studying the key technologies of PIC simulation mentioned above.

粒子(PIC) 模拟是研究脉冲功率加速器的一种重要手段，被广泛地应用于脉冲功率加速器的设计和优化中。本项目针对脉冲功率加速器粒子模拟中的几个关键技术问题，将开展以下四个方面的研究：1.采取基于波传输过程电路算法与粒子模拟算法相结合的方法，开发电路边界算法，实现粒子模拟输入边界的自洽处理；2.采用相关文献中给出的有效的计算方法，实现对磁绝缘传输线阳极表面两种不同机制引起的温度升高的模拟；3.采用电磁耦合型粒子模拟与蒙特卡罗碰撞（PIC-MCC）相结合的方法，实现对电极表面中性气体分子电离过程的模拟；4.采用分区建模并行计算方法，解决大尺度脉冲功率加速器所面临的三维建模困难的问题。本项目将通过对以上几项粒子模拟中关键技术的研究，为设计和发展下一代技术更先进的脉冲功率加速器提供的帮助。

本项目针对脉冲功率加速器PIC模拟中几个亟待解决的重点、难点问题进行研究。研究内容涉及电路边界算法、阳极表面温度升高算法、电磁耦合型PIC-MCC模拟算法、分区建模并行计算等关键技术。因此本项目完成的研究包括如下几点：1.深入研究了电路边界算法与PIC模拟相结合的方法，设计相应的程序流程，完成了PIC模拟中电路边界模块的编写及优化，并将其应用于对实际脉冲功率器件的模拟设计优化过程中；2.深入研究电子入射导体表面产生能量沉积及温度升高的理论模型，完成了阳极表面温度升高模块和电子能量沉积模块的编写，并将其应用于空心阴极二极管阳极杆表面温度升高的模拟研究；3.深入研究了电磁耦合型PIC-MCC理论，完成了电磁耦合型PIC-MCC模块的开发，将其应用于阳极表面等离子体产生过程的模拟研究；4.深入研究了大尺度脉冲功率加速器的三维分区建模并行计算方法，并在此基础上完成了大尺度脉冲功率加速器的三维分区建模并行计算模块的编写及优化，并将其应用于单路脉冲功率装置及花瓣形低电感RTL等大尺度脉冲功率装置的模拟研究；5.另外，根据模拟与实验结果的比对，发现二者的差异，通过探讨产生这种问题的原因，以此为基础研究了阳极表面等离子体对脉冲功率器件中的空心阴极二极管阻抗的影响。上述研究内容取得的成果对实际器件的设计、优化以及对实验结果的深层物理因素的探索均起到了很大的帮助。