光学应用 光学航空、航天应用

V439．1 2006065487单链表在离子发动机光学系统粒子模拟中的应用=Parti- cle simulation of ion thruster optical systems using single linked lists[刊,中]/刘畅(北京航空航天大学宇航学院．北京(100083)),汤海滨…//强激光与粒子束．—2006,18 (7)．—1193-1198开发了一种使用链式存储结构的粒子模拟程序,该程序使用带头节点的单向链表存储粒子信息。使用基于链式存储结构的PIC方法对离子发动机光学系统进行了粒子模拟,验证了链式粒子信息存储方法在粒子模拟中的可用性。模拟表明,在粒子模拟中采用链式存储结构存储粒     

离子发动机交换电荷离子返流的粒子模拟

 建立了离子发动机羽流的物理模型,采用粒子网格对羽流中的交换电荷离子的分布进行了模拟,电场方程使用完全近似格式的代数多重网格方法求解。利用计算设备统一架构技术开发出一套基于图形处理器的3维并行粒子模拟程序。计算结果表明,交换电荷离子在径向扩张型电势结构下会向束流区外运动,一部分交换离子在电场力作用下会向发动机上游运动,从而形成返流。发动机上游区域的交换电荷数密度与束流等离子体数密度相比降低了3~4个数量级。通过降低电子温度可有效降低返流电流。     

激光等离子体相互作用的2(1/2)维粒子模拟程序

研制了2(1/2)维粒子模拟程序PLASIM(Plasma Simulator),介绍经过验证的该粒子模拟程序的算法,其特点是自含碰撞,即β粒子云模型的选取使得该程序无需额外的计算开销就能在程序中自洽地含有碰撞,使计算结果更加符合实际情况.另外电子和离子的运动都是相对论的,适于模拟超强激光与等离子体的相互作用.     

自适应光学系统的数值模型

本文讨论了有限单元变形镜自适应光学系统的数值模型及其算法，建立了一个反映自适应光学系统各组成部分的数值模拟程序，并利用这个程序对激光大气传输湍流效应的位相补偿进行了数值模拟，其中包括大气相干长度，非等晕性及自适应光学系统的有限响应带宽对补偿效率的影响。     

用时序探测事件模拟提升中子多重性计算效率

提出基于时序处理探测事件的中子多重性计数统计方法。在JMCT粒子输运数值模拟程序的基础上研发了用于统计中子多重性计数的专用数值模拟程序JMCT_NMC，实现在线的中子多重性计数模拟功能。展示了利用中子多重性计数算例检验程序，比较了JMCT_NMC与传统算法计算时间消耗的结果。时序探测事件处理方法不需大量存储粒子信息，在解决中子多重性计数模拟受内存限制问题的同时，提升了计算效率。在JMCT_NMC程序中，时序探测事件模拟手段在探测器关联事件模拟、本底分析等领域还有着更广泛的应用前景。     

电推力器流动模拟中的电子处理方法

 分析了电子的准中性假设、玻耳兹曼分布假设、粒子模型在电推力器流动模拟中的适用性和优劣性,提出了一种新的电子处理方法——电子漂移扩散近似,采用该方法模拟了离子发动机栅极光学系统等离子体运动过程。结果表明:该方法得出的电势分布、离子相空间分布及电子数密度分布与经典的电子玻耳兹曼分布假设处理方法计算结果一致,验证了该方法可以很好地应用于电推力器栅极光学系统模拟。     

高峰值功率多注速调管电子光学系统的研究

 分析了存在于高峰值功率多注速调管电子光学系统中的问题。采用间接设计方法设计了S波段50 MW多注速调管的电子光学系统。设计中采用分立屏蔽筒结构解决电子枪区聚焦场的旁轴对称问题。利用2维电子光学软件EGUN、3维电磁模拟软件MAFIA和PIC粒子模拟程序对电子轨迹进行了模拟，结果表明：分立屏蔽筒结构可以获得较好的旁轴对称场，电子光学系统的电子轨迹比较理想。     

图形处理器并行计算用于离子发动机粒子模拟

 为了研究离子发动机羽流对航天器的影响,采用质点网格-蒙特卡罗碰撞方法对离子发动机羽流中的交换电荷离子进行了模拟。利用计算设备统一架构技术,开发出一套基于图形处理器的并行粒子模拟程序。随机数生成采用并行MT19937伪随机数生成器算法,电场方程使用完全近似存储格式的代数多重网格法求解。r-z轴对称坐标系中,在z=0 m处获得的电流密度均值为4.5×10^-5 A/m²,图形处理器所得结果与中央处理器模拟结果吻合。在16核心的NVIDIA GeForce 9400 GT图形显示卡上,取得相对于Intel Core 2 E6300中央处理器4.5~10.0倍的加速比。     

基于JASMIN并行框架的2.5维粒子模拟程序NEPTUNE2D的研制北大核心CSCD

介绍了2.5维自主研制的并行电磁粒子模拟程序NEPTUNE2D初步研发情况。该程序基于JASMIN并行自适应结构网格支撑框架研制,并行效能高,可扩展性强,且支持动态负载平衡;采用新型PIC算法替代传统算法,避免求解泊松方程修正电场,更适用于大规模并行计算;程序支持r-z坐标系下的器件仿真,可应用于高功率微波器件、电真空器件的快速模拟设计。该程序现已完成电磁场更新、粒子推进、电磁场注入/引出、粒子发射/吸收等基本物理功能模块的研制,并通过同轴线、圆波导、同轴二极管及无箔二极管算例模拟验证了模块的正确性。最后,应用NEPTUNE2D程序设计了一个高效同轴相对论返波管,给出了粒子模拟结果和并行性能测试结果。     

TOPOPIC对强流束流在周期FODO结构中的传输研究

粒子云网格(Particle In cell,PIC) 方法是研究带电粒子在加速器中运动的关键工具之一。基于PIC 算法,开发了模拟强流条件下的束流动力学模拟程序TOPOPIC(Trace of Particle Orbit with PIC method),并且利用TOPOPIC,研究了束流在四极铁周期结构(FODO) 中的传输问题。结果表明,在强流条件下空间电荷效应显著地影响了束流的整体行为和单粒子的运动轨迹。最后比较了TOPOPIC 程序和通用的BEAMPATH 程序在相同条件下的计算结果,可以看到两个程序给出的模拟结果吻合得非常好,这表明TOPOPIC程序的计算结果是合理、可靠的。The Particle in cell (PIC) method is one of the key techniques in the research of charged particles in accelerators. Based on the PIC method, a new beam simulation code for high intensity beam named TOPOPIC (Trace of particle orbit with PIC method) has been developed. With the code TOPOPIC,the beam behavior during passing through the periodic quadrupole (FODO) structure has been studied. The results show that the nonlinear space charge affects the single particle behavior and beam envelope a lot. At last, the PIC code BEAMPATH is used for benchmark, the results given by TOPOPIC and BEAMPATH show good agreements,which means the code TOPOPIC is reliable.     

Particle‐in‐Cell Simulations for Ion Thrusters

The Particle‐in‐Cell (PIC) method was used to study two different ion thruster concepts: Hall Effect Thrusters (HETs) and High Efficiency Multistage Plasma Thrusters (HEMPs), in particular the plasma properties in the discharge chamber due to the different magnetic field configurations. Special attention was paid to the simulation of plasma particles fluxes on the thrusters inner surfaces. In both cases PIC proved itself as a powerful tool, delivering important insight into the basic physics of the different thruster concepts.The simulations demonstrated that the new HEMP thruster concept allows for a high thermal efficiency due to both minimal energy dissipation and high acceleration efficiency. In the HEMP thruster the plasma contact to the wall is limited only to very small areas of the magnetic field cusps, which results in much smaller ion flux to the thruster channel surface as compared to HET. (© 2009 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

离子推力器推力密度特性

离子推力器推力密度分布对航天器轨道维持和修正具有重要影响.采用粒子模拟-蒙特卡罗碰撞方法模拟束流等离子体输运过程,分析束流多组分粒子喷出数量和速度等微观参数,并计算得到单孔束流推力,结合放电室出口等离子体密度分布,进一步对推力密度分布特性分析,最后开展实验验证.研究结果显示:束流中单价离子、双荷离子以及交换电荷离子的推力贡献比分别为84.63%,15.35%和1.82%,可见推力主要来源于束流中的单价离子和双荷离子,交换电荷离子对推力贡献很小;推力密度分布具有较好的中心轴对称性,从推力器中心沿着径向先快速下降后趋于缓慢;与实验结果对比,经验模型相对误差约为4.1%,数值模型相对误差约为2.8%,相比经验模型,数值模型具有更好的准确性.研究结果可为离子推力器推力密度分布均匀性等优化提供参考.     

离子推力器栅极透过率径向分布特性研究

栅极系统是离子推力器的主要组件,其透过率特性对推力器的效率和推力具有重要影响.为了进一步优化栅极性能和有效评估离子推力器效率,对离子推力器栅极透过率径向分布进行研究.采用particle-In-CellMonte Carlo Collision数值仿真方法对束流引出过程进行了模拟.分析了屏栅、加速栅以及栅极系统的透过率随栅孔引出束流离子数量的变化关系,结合放电室出口离子密度分布,进而分别得到屏栅透过率、加速栅透过率和栅极系统透过率的径向分布特性,最后进行实验验证.研究结果表明:屏栅透过率径向分布具有中心对称性,在推力器中心有最小值,从中心沿着径向逐渐增大;加速栅透过率径向分布与屏栅透过率变化趋势相反;栅极系统透过率受加速栅透过率的影响很小,其径向分布与屏栅透过率径向分布相近;离子推力器栅极总透过率随着束流增大而缓慢减小.研究结果可为离子推力器栅极优化提供参考.     

多模式离子推力器栅极系统三维粒子模拟仿真

栅极系统是离子推力器推力产生的主要部件,推力器的性能和寿命都与栅极系统密切相关.对于具有多种工作模态的离子推力器,基于电流电压入口的仿真可以有效评估推力器的工作状况.采用三维粒子模拟方法对两栅极系统等离子体输运过程进行了仿真,获得了不同模式下的推力器性能参数,对比NSTAR的在轨测试参数,验证了模型的正确性;分析了工作模式变化对栅极区域电场分布和束流状态的影响以及离子推力器多模式设计需求.分析结果表明:远离栅极系统的外凸型屏栅鞘层和内凹型零等势面、低鞍点电势值和平缓的下游电势分布,有利于提高栅极系统离子通过率,抑制电子返流,减小Pits-and-Grooves腐蚀,是离子推力器工作模式的设计方向;提高束流电压会导致发散角损失增大,但可扩展栅极工作电流范围,在束流强度较大的模式下,使束流具有较好的聚焦状态,有利于减小Barrel腐蚀.研究结果为多模式离子推力器工作模式设计提供了参考.     

圆柱形霍尔推进器的三维刻蚀模拟与实验研究

通过使用数值模拟和实验相结合的方法研究圆柱形霍尔等离子体推进器。应用蒙特卡洛方法和Particle In Cell (PIC)方法对放电通道内等离子体碰撞和行为进行模拟。建立圆柱形霍尔推进器的物理和数值模型;通过对放电和加速区等离子体的产生和输运进行模拟,掌握了等离子体放电和加速机理以及内磁极的刻蚀
情况。结果表明：随着电压的升高,内磁极刻蚀较为严重;推进器内部离子能量值约为放电电压值的50%左右。同时通过实验方法测定不同放电电压情况下推进器的放电性能。     

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通过使用数值模拟和实验相结合的方法研究圆柱形霍尔等离子体推进器。应用蒙特卡洛方法和Particle In Cell(PIC)方法对放电通道内等离子体碰撞和行为进行模拟。建立圆柱形霍尔推进器的物理和数值模型;通过对放电和加速区等离子体的产生和输运进行模拟,掌握了等离子体放电和加速机理以及内磁极的刻蚀情况。结果表明:随着电压的升高,内磁极刻蚀较为严重;推进器内部离子能量值约为放电电压值的50%左右。同时通过实验方法测定不同放电电压情况下推进器的放电性能。     

速调管离子噪声特性的模拟分析

 离子噪声已成为影响现代微波管性能的一个重要因素，采用一维混合模型研究了速调管的离子噪声，用自编的1维粒子模拟程序对速调管的离子噪声特性进行了分析。采用小信号近似，从理论上推导出了速调管离子噪声与相位畸变关系的表达式，表明微波管相位噪声直接来源于管内离子量的变化。模拟了有离子噪声时速调管的相位特性，对模拟过程做了离子诊断并与实验结果进行比较，证明了模拟过程的正确性。探讨了电子束电流、电压以及聚焦磁场对离子噪声的影响规律，束电流与束电压改变后，离子噪声的周期与大小相应改变，增大束电流，离子噪声幅度会下降，并趋于稳定，而在束电流不变的情况下，离子噪声存在一个最小值。束电流与束电压确定，存在最佳的磁场使离子噪声幅度最小。     

离子推力器加速栅极离子运动规律的数值研究

 以离子推力器栅极组件为研究对象,建立了3维数值模型,应用网格质点法研究了束流离子和电荷交换离子在栅极组件间的运动规律。根据给定的几何和物理参数,模拟得到了栅极组件附近的电势分布、束流离子和电荷交换离子的运动轨迹、速度相空间分布以及加速极电流等。模拟结果表明：加速栅极下游产生的电荷交换离子在电场的作用下会加速撞击加速栅极下游面,是造成加速栅极腐蚀的主要因素;栅极间产生的电荷交换离子会撞击到加速栅极孔壁面,使加速栅极孔逐渐增大。     

基于负氢离子源的全三维PIC/MCC模拟算法研究

在分析负氢离子源中等离子体物理机理基础下, 研究并优化粒子模拟算法, 设计高效的粒子存储方法. 研究并运用粒子碰撞蒙特卡罗方法, 考虑等离子体势以及带电粒子间库仑碰撞, 研制了全三维粒子模拟/蒙特卡罗算法(PIC/MCC). 采用磁荷模型, 运用时域有限差分方法计算多峰磁场, 并结合国外负氢离子源JT-60U, 考虑负氢离子源中主要反应, 对全三维PIC/MCC模拟算法模拟验证.