3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE 被引量：12

1

作者 董烨 陈军 +10 位作者 杨温渊 赵强 夏芳 肖丽 马彦 廖丽 孙会芳 董志伟 周海京 陈虹 莫则尧 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第6期1607-1615,共9页

介绍了自主编制的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE的基本情况。该程序具备对多种典型高功率微波源器件的3维模拟能力,可以在数百乃至上千个CPU上稳定运行。该程序使用时域有限差分(FDTD)方法更新计算电磁场,采用Buneman-Boris... 介绍了自主编制的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE的基本情况。该程序具备对多种典型高功率微波源器件的3维模拟能力,可以在数百乃至上千个CPU上稳定运行。该程序使用时域有限差分(FDTD)方法更新计算电磁场,采用Buneman-Boris算法更新粒子运动状态,运用质点网格法(PIC)处理粒子与电磁场的耦合关系,最后利用Boris方法求解泊松方程对电场散度进行修正,以确保计算精度。该程序初步具备复杂几何结构建模能力,可以对典型高功率微波器件中常见的一些复杂结构,如任意边界形状的轴对称几何体、正交投影面几何体,慢波结构、耦合孔洞、金属线和曲面薄膜等进行几何建模。该程序将理想导体边界、外加波边界、粒子发射与吸收边界及完全匹配层边界等物理边界应用于几何边界上,实现了数值计算的封闭求解。最后以算例的形式,介绍了使用NEPTUNE程序对磁绝缘线振荡器、相对论返波管、虚阴极振荡器及相对论速调管等典型高功率微波源器件进行的模拟计算情况,验证了模拟计算结果的可靠性,同时给出了并行效率的分布情况。 展开更多

关键词 高功率微波 3维全电磁粒子模拟 大规模并行程序 NEPTUNE程序

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并行3维全电磁粒子模拟软件NEPTUNE的外加磁场模块设计 被引量：8

2

作者 董烨 杨温渊 +1 位作者 陈军 董志伟 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第3期664-670,共7页

介绍了3维全电磁粒子模拟软件NEPTUNE中常用外加磁场加载模块的设计思路和方法,包括简单的磁场分布方程和离散数值加载、螺线管磁场加载、直线及螺旋线磁场分布加载、摇摆器磁场加载以及永磁体磁场加载等方式。每一类磁场加载模式都进... 介绍了3维全电磁粒子模拟软件NEPTUNE中常用外加磁场加载模块的设计思路和方法,包括简单的磁场分布方程和离散数值加载、螺线管磁场加载、直线及螺旋线磁场分布加载、摇摆器磁场加载以及永磁体磁场加载等方式。每一类磁场加载模式都进行了实际算例的计算和验证,计算结果表明各类磁场加载模块设计的正确性和可靠性。最后针对具体应用,结合二极管电子束在不同外加引导磁场作用下的各种分布状态,间接验证了磁场模块设计的可行性。 展开更多

关键词 高功率微波 3维全电磁粒子模拟 外加磁场 NEPTUNE程序

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3维全电磁粒子模拟软件的外加波与粒子模块设计 被引量：5

3

作者 董烨 杨温渊 +2 位作者 董志伟 孙会芳 周海京 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第4期481-488,共8页

介绍了3维全电磁粒子模拟软件中外加波边界与粒子边界模块的设计思路和方法,其中外加波边界包括同轴波导、矩形波导、圆柱波导的电磁波输入和输出,以实际算例的形式计算了同轴波导TEM模、矩形波导TE10模、圆柱波导TM01模的传输特性;粒... 介绍了3维全电磁粒子模拟软件中外加波边界与粒子边界模块的设计思路和方法,其中外加波边界包括同轴波导、矩形波导、圆柱波导的电磁波输入和输出,以实际算例的形式计算了同轴波导TEM模、矩形波导TE10模、圆柱波导TM01模的传输特性;粒子边界包括粒子的发射与吸收。以实际算例的形式计算了一个用于MILO的同轴二极管爆炸发射模型,对其不同电压下的发射特性以及外加波注入功率进行了研究。研究发现:在外加波电压从低到高的情况下,电子先后表现为出了径向运动,轴向漂移和顺势流3个阶段的发射特性,符合物理规律。所得外加波传输的模式分布和粒子发射特性的计算结果分别验证了外加波和粒子发射模块设计的正确性和可靠性。 展开更多

关键词 高功率微波 3维全电磁粒子模拟 外加波边界 粒子边界

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系统电磁脉冲一维边界层的数值模拟 被引量：1

4

作者 孙会芳 董志伟 张芳 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第1期39-44,共6页

应用准第一性原理的PIC程序对系统电磁脉冲(SGEMP)一维边界层进行数值模拟,研究无限大介质板发射单一能量为2keV、发射率为3.3×1020 m^(-2)·s^(-1)的光电子,发射角分布为余弦角分布,且平板上留下等量正电荷时的SGEMP效应,得... 应用准第一性原理的PIC程序对系统电磁脉冲(SGEMP)一维边界层进行数值模拟,研究无限大介质板发射单一能量为2keV、发射率为3.3×1020 m^(-2)·s^(-1)的光电子,发射角分布为余弦角分布,且平板上留下等量正电荷时的SGEMP效应,得出稳态后电子所能到达的最大距离约在5.8~7.5cm之间振荡;发射表面z=0处的电荷密度在(6.0~9.0)×10^(-6)C/m^3之间振荡;表面电场值在50~55kV/m之间振荡;边界层达到准稳态的时间约为14.0ns。将稳态模拟结果和理论估算结果进行对比,模拟结果较理论结果更加准确、形象地反映出SGEMP一维边界层的形成过程及稳态结构。 展开更多

关键词 光电子 系统电磁脉冲 一维边界层 全电磁粒子模拟方法

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磁绝缘线振荡器阴极释气电离粒子模拟 被引量：4

5

作者 董志伟 孙会芳 +4 位作者 杨郁林 杨温渊 周前红 张芳 董烨 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第3期114-119,共6页

阴极释气电离产生的击穿现象是限制磁绝缘线振荡器(MILO)工作性能的一个可能因素,也是限制其重频运行的主要障碍。利用三维全电磁粒子模拟程序对高功率微波器件MILO中阴极释气电离现象的物理建模技术以及实现三维自洽运算所需的粒子模... 阴极释气电离产生的击穿现象是限制磁绝缘线振荡器(MILO)工作性能的一个可能因素,也是限制其重频运行的主要障碍。利用三维全电磁粒子模拟程序对高功率微波器件MILO中阴极释气电离现象的物理建模技术以及实现三维自洽运算所需的粒子模拟技术进行了分析研究。对不同相对释气率的情况进行了模拟计算,模拟计算结果表明,当释气率超过一定阈值时,电离导致的等离子体会使微波输出功率迅速下降。 展开更多

关键词 磁绝缘线振动器 释气 电子碰撞激发 电离 全电磁粒子模拟程序

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圆柱体外SGEMP的三维数值模拟 被引量：6

6

作者 孙会芳 张芳 董志伟 《计算物理》 CSCD 北大核心 2016年第4期434-440,共7页

研究复杂模型的系统电磁脉冲(SGEMP)特性,开发三维全电磁粒子模拟程序,用Monte Carlo方法计算电子发射的余弦角分布和指数能谱分布,作为校验,首先模拟光电子由圆柱端面向外发射的SGEMP模型,并与文献二维计算结果对比;用该程序对半径为10... 研究复杂模型的系统电磁脉冲(SGEMP)特性,开发三维全电磁粒子模拟程序,用Monte Carlo方法计算电子发射的余弦角分布和指数能谱分布,作为校验,首先模拟光电子由圆柱端面向外发射的SGEMP模型,并与文献二维计算结果对比;用该程序对半径为10 cm,长度为20 cm的圆柱体只有一半侧面向外发射的三维SGEMP进行模拟,发现当发射电流为3.3A时,产生的电场最高可达56 k V·m^(-1),磁场高达3.0×10^(-6)T. 展开更多

关键词 全电磁粒子模拟程序 系统电磁脉冲 角分布 抗核加固

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圆柱腔内系统电磁脉冲的数值模拟 被引量：2

7

作者 孙会芳 董志伟 周海京 《强激光与粒子束》 CAS CSCD 北大核心 2021年第12期123-128,共6页

应用3维全电磁粒子模拟程序研究腔体的内SGEMP,作为校验,模拟计算了光电子由圆柱腔体端面向内发射的SGEMP模型,并与文献结果进行了对比;使用该程序对圆柱腔体的3维内SGEMP进行模拟研究,得出注量为100 J/m^(2),特征温度为2 keV的黑体谱X... 应用3维全电磁粒子模拟程序研究腔体的内SGEMP,作为校验,模拟计算了光电子由圆柱腔体端面向内发射的SGEMP模型,并与文献结果进行了对比;使用该程序对圆柱腔体的3维内SGEMP进行模拟研究,得出注量为100 J/m^(2),特征温度为2 keV的黑体谱X射线,垂直入射高为4.5 cm、半径为7.5 cm的圆柱腔体侧面时,发射电流为20 A,产生的电场最高可达150 kV/m,磁场高达3.0×10^(-5)T。并对不同X射线注量下的电荷和电场分布情况进行了初步研究。 展开更多

关键词 全电磁粒子模拟程序 系统电磁脉冲 角分布 光电子

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稀薄空气、等离子体环境外系统电磁脉冲的数值模拟

8

作者 孙会芳 张玲玉 +1 位作者 董志伟 周海京 《强激光与粒子束》 CAS CSCD 北大核心 2023年第5期62-70,共9页

为研究大气环境对系统电磁脉冲(SGEMP)的影响,针对海拔50~100 km的X射线能量沉积区,分别应用3维PIC程序及3维PIC-MCC程序各自开展预电离等离子体和稀薄空气条件下外SGEMP的建模与模拟研究,针对3种不同的X射线注量(4×10^(−3) J/cm^... 为研究大气环境对系统电磁脉冲(SGEMP)的影响,针对海拔50~100 km的X射线能量沉积区,分别应用3维PIC程序及3维PIC-MCC程序各自开展预电离等离子体和稀薄空气条件下外SGEMP的建模与模拟研究,针对3种不同的X射线注量(4×10^(−3) J/cm^(2)、4×10^(−2) J/cm^(2)、0.4 J/cm^(2)),分别取对应两种不同海拔高度(70 km和80~90 km)的本底等离子体及海拔56 km的稀薄空气条件进行模拟计算,并和真空中的计算结果进行对比,得出预电离等离子体及稀薄空气对外SGEMP的影响规律:当X射线注量较低时,等离子体使得磁场增大,电场减小,而稀薄空气对外SGEMP效应影响不明显;随着X射线注量增大,空间电荷非线性效应越来越明显,等离子体及稀薄空气都使得电场、磁场同时增大,且稀薄空气的增大效应更显著。 展开更多

关键词 全电磁粒子模拟程序 系统电磁脉冲 光电子 次级电子

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虚阴极振荡器中束流质量影响的粒子模拟

9

作者 李志强 舒挺 钱宝良 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2003年第6期609-612,共4页

　采用二维半全电磁PIC程序对轴向提取反馈式虚阴极振荡器中束流质量影响进行了模拟研究。结果表明:上凸前沿可使虚阴极振荡器达到饱和振荡的时间缩短,束脉冲前沿对微波饱和功率基本无影响;束流脉宽应大于16ns;当能散度为5%时,束波转换... 　采用二维半全电磁PIC程序对轴向提取反馈式虚阴极振荡器中束流质量影响进行了模拟研究。结果表明:上凸前沿可使虚阴极振荡器达到饱和振荡的时间缩短,束脉冲前沿对微波饱和功率基本无影响;束流脉宽应大于16ns;当能散度为5%时,束波转换效率从单能束时的3.8%降至1.5%;束流质量(除能散度外)对微波频率基本上没有影响。 展开更多

关键词 虚阴极振荡器 束流质量 粒子模拟 二维半全电磁PIC程序 微波频率 轴向反馈

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金属双边二次电子倍增的理论分析与数值模拟 被引量：9

10

作者 董烨 董志伟 杨温渊 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第2期454-462,共9页

针对金属双边二次电子倍增现象,分析给出了电子共振方程、共振相位、相位聚焦条件以及碰撞电势;并根据二次电子发射的材料特性,研究了金属双边二次电子倍增的敏感区间。利用蒙特卡罗方法抽样选取电子初始发射能量和角度,数值研究了二次... 针对金属双边二次电子倍增现象,分析给出了电子共振方程、共振相位、相位聚焦条件以及碰撞电势;并根据二次电子发射的材料特性,研究了金属双边二次电子倍增的敏感区间。利用蒙特卡罗方法抽样选取电子初始发射能量和角度,数值研究了二次电子倍增的敏感区间,并与理论结果进行了比对,给出了二次电子数目随时间的增长关系。利用材料二次发射特性的经验公式,辅以电子碰撞角和碰撞能量计算以及对二次电子初始能量和发射角度的蒙特卡罗随机抽样算法,编制了3维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE的金属边界二次电子发射功能模块,模拟金属双平板二次电子倍增过程,获得了二次电子倍增物理图像、二次电子数目随时间演化规律等结果。模拟结果不仅验证了理论分析,还表明在合适的条件下,空间电荷限制作用将导致二次电子倍增的饱和。 展开更多

关键词 高功率微波 金属双边二次电子倍增 蒙特卡罗方法 3维全电磁粒子模拟程序

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磁绝缘线振荡器中模式竞争问题的数值模拟 被引量：5

11

作者 孙会芳 董志伟 杨郁林 《强激光与粒子束》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第2期303-306,共4页

为理解磁绝缘线振荡器(MILO)实验中频频出现的模式竞争问题,利用3维全电磁粒子模拟程序对C波段MILO的实验模型进行研究,探索各种非对称激励机制对产生微波模式的影响,结果显示:阴极电子随机发射、电压的慢上升前沿、较低的电压等因素都... 为理解磁绝缘线振荡器(MILO)实验中频频出现的模式竞争问题,利用3维全电磁粒子模拟程序对C波段MILO的实验模型进行研究,探索各种非对称激励机制对产生微波模式的影响,结果显示:阴极电子随机发射、电压的慢上升前沿、较低的电压等因素都可导致非对称高阶模式的产生,并使输出微波功率大大降低。模拟计算得出MILO中存在频率为3.6 GHz左右的基模和频率分别为3.7,4.1,4.6 GHz左右的3种高阶模式,与Karat计算结果基本一致。 展开更多

关键词 3维全电磁粒子模拟程序 磁绝缘线振荡器 高阶模 非对称激励 模式竞争

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0.22THz折叠波导行波管放大器理论分析与数值模拟 被引量：9

12

作者 董烨 董志伟 +1 位作者 杨温渊 陈军 《信息与电子工程》 2011年第3期313-319,共7页

为了解折叠波导行波管放大器的性能影响因素,在理论分析的基础上,对0.22 THz折叠波导行波管放大器进行系统的数值模拟与分析,重点讨论电子束压、束流、输入信号功率、结构周期数、材料电导率、引导磁场大小、电子能散度以及发射度对器... 为了解折叠波导行波管放大器的性能影响因素,在理论分析的基础上,对0.22 THz折叠波导行波管放大器进行系统的数值模拟与分析,重点讨论电子束压、束流、输入信号功率、结构周期数、材料电导率、引导磁场大小、电子能散度以及发射度对器件输出功率水平的影响。发现束压存在最佳工作范围,增加束流可以有效提高器件增益;输入信号不宜过强,否则器件增益反而会下降;器件结构周期数存在一个最优范围,过多过少对器件性能都有影响;采用电导率高、表面光洁度高的金属材料,可以降低器壁损耗;引导磁场达到聚束要求即可,无需太高;尽可能控制电子的能散度和发射度,提高电子束质量可以提升器件性能。采用自编的三维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE,对0.22 THz折叠波导行波管放大器的性能进行了对比分析,给出了束波互作用过程的基本图像,并对器件输出端口反射所引发的自激振荡现象进行了重点分析。 展开更多

关键词 折叠波导行波管放大器 理论分析 数值模拟 三维全电磁粒子模拟程序

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高功率微波器件的初步优化设计 被引量：3

13

作者 孙会芳 姜幼明 +3 位作者 董烨 李瀚宇 董志伟 周海京 《太赫兹科学与电子信息学报》 2013年第6期927-931,941,共6页

将遗传算法与全电磁粒子模拟算法有机融合,研制出二维全电磁粒子模拟并行优化程序。据此对高功率微波源器件——磁绝缘线振荡器(MILO)和超辐射返波管(SRBWO)进行优化设计。将束波转换效率作为优化目标,在输入功率基本不变的情况下,优化... 将遗传算法与全电磁粒子模拟算法有机融合,研制出二维全电磁粒子模拟并行优化程序。据此对高功率微波源器件——磁绝缘线振荡器(MILO)和超辐射返波管(SRBWO)进行优化设计。将束波转换效率作为优化目标,在输入功率基本不变的情况下,优化后的磁绝缘线振荡器的效率比原模型提高38.8%;将超辐射相对论返波管的峰值输出功率作为优化目标,优化后的器件峰值输出功率比原来提高了37.5%,束波转化效率提高了50%;将超辐射相对论返波管的输出微波总能量作为优化目标,输出微波总能量比原来提高了38.1%。经优化后获取的器件模型几何参数合理,物理图像正确。 展开更多

关键词 遗传算法 全电磁粒子模拟程序 高功率微波器件 优化设计

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圆柱端面向外发射的SGEMP研究

14

作者 孙会芳 董志伟 张芳 《微波学报》 CSCD 北大核心 2014年第S2期41-43,共3页

本文利用3维全电磁粒子模拟程序研究了圆柱端面向外发射的SGEMP模型,并用文献提供的方法对本模型的SGEMP效应进行理论估算,两种方法所得结果量级一致,规律正确,说明本程序可用于具有复杂角分布和能谱分布的各种SGEMP模拟研究,为抗核加固... 本文利用3维全电磁粒子模拟程序研究了圆柱端面向外发射的SGEMP模型,并用文献提供的方法对本模型的SGEMP效应进行理论估算,两种方法所得结果量级一致,规律正确,说明本程序可用于具有复杂角分布和能谱分布的各种SGEMP模拟研究,为抗核加固和SGEMP效应研究提供基础数据。 展开更多

关键词 全电磁粒子模拟程序 系统电磁脉冲 角分布 抗核加固

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