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《电子科技大学》 2009年
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电磁粒子模拟方法及其应用研究

周俊  
【摘要】: 粒子模拟方法是研究带电粒子与电场和磁场相互作用过程的重要数值模拟方法,也称为“第一性原理”方法。最近几十年,计算机科学的飞速发展,对粒子模拟方法的研究和应用产生了深刻的影响。目前,粒子模拟方法已经在多个研究领域得到了广泛的应用,并且应用范围还在继续扩大。 粒子模拟方法所用的模型分为静电模型、静磁模型和电磁模型,其中电磁模型所对应的电磁粒子模拟方法,是本论文研究的主题。本论文的工作基于国家高技术发展计划支持的通用电磁粒子模拟软件项目,对电磁粒子模拟方法的基础理论和数值分析进行了全面而深入的研究,并对该方法的若干关键技术和应用领域做了创新性和探索性的研究。主要内容为: 1.详细研究了电磁粒子模拟方法的数值分析。将数值算法划分为电磁场计算、带电粒子计算和场与粒子的耦合三个部分,分别进行了深入分析。在电磁场计算部分,重点研究和实现了时域电磁场计算中的时偏FDTD算法,计算结果表明该方法能很好地抑制高频数值噪声。对频域电磁场计算和静场初始条件的计算也进行了研究和实现。在带电粒子计算部分,研究了非相对论和相对论情形下推动粒子的算法,并对带电粒子的初始条件设置和数值稳定性进行了必要分析。在场与粒子的耦合部分,重点研究了场作用于粒子的算法,提出作用场权重算法及其改进算法。同时,也研究了粒子作用于场的算法,给出了电荷密度场和电流密度场的详尽计算公式。 2.详细研究了电磁粒子模拟问题的边界条件。将边界条件划分为场边界条件和粒子边界条件两大部分,分别进行细化研究。在场边界条件部分,重点研究和实现了各种激励源和吸收边界条件,提出了设置激励源的新方法,计算结果表明这些方法较为实用。对常规边界条件和其他场边界条件也进行了研究和实现。在粒子边界条件部分,研究了粒子发射边界条件和一些特殊的粒子边界条件。 3.研究了电磁粒子模拟软件的设计与实现。将基础理论和数值分析应用到实践中,开发了实用的电磁粒子模拟软件CHIPIC。将整个软件划分成核心计算程序、辅助建模系统、数值诊断系统和并行计算系统四个重要部分来进行研究。首先给出了核心计算程序的框架,然后对辅助建模系统、数值诊断系统和并行计算系统的功能分别进行分析,给出了开发过程中的具体设计思路。 4.研究了电磁粒子模拟方法的若干应用。针对真空电子学领域的几项重要应用做了必要的研究。首先研究了在真空电子微波器件方面的应用,对磁绝缘线振荡器进行了模拟和分析,得到了与文献和实验一致的结果。接着研究了在真空电子太赫兹源方面的应用,对扩展互作用振荡器进行了模拟和分析,为今后的实验工作提供辅助手段。然后研究了在真空电子加速器方面的应用,对工业用大功率电子加速器的束流聚焦性能进行了模拟和分析,得到了一些有价值的结果。最后研究了在气体放电阴极方面的应用,对虚火花放电的物理过程进行了模拟和分析,得到了与理论和实验一致的物理现象。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:O53

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 杨超;基于负氢离子源的全三维PIC/MCC数值模拟算法研究[D];电子科技大学;2012年
2 刘腊群;大尺度脉冲功率真空器件的理论研究及数值模拟[D];电子科技大学;2013年
3 彭凯;大尺度HPM器件电磁PIC若干关键技术研究及应用[D];电子科技大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前6条
1 徐旭光;基于有限差分法的泊松方程算法研究与软件实现[D];电子科技大学;2011年
2 李克华;低频阿尔芬波非共振加热等离子体的粒子模拟[D];南华大学;2012年
3 王小敏;负氢离子源的三维PIC/MCC数值模拟研究[D];电子科技大学;2012年
4 李攀;电漂移对托卡马克中高能粒子轨道的影响[D];南华大学;2013年
5 李冰;佳拉洁雅型磁约束装置中等离子体平衡性的研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
6 丁姗;大气等离子体的粒子模拟及可视化[D];华中科技大学;2013年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 刘松;磁绝缘线振荡器的研究[D];国防科学技术大学;2001年
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中国硕士学位论文全文数据库 前2条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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4 张建伟;曹敏;王昕;毕志周;;基于数据挖掘技术的关口电能表检测数据分析统计平台设计[A];2011年云南电力技术论坛论文集(入选部分)[C];2011年
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6 张宪标;汪沨;乐孟常;戴涛;;采用PIC法SF_6/N_2混合气体中绝缘子沿面放电特性仿真[A];2011中国电工技术学会学术年会论文集[C];2011年
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8 任传波;田象滔;;非线性悬架动力学方程的精细积分与特性研究[A];第十一届全国非线性振动学术会议暨第八届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议论文集[C];2007年
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10 王春;;一种新型宽带HF单极子天线[A];2005年海峡两岸三地无线科技学术会论文集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘彬;极端条件复杂动力学[D];中国工程物理研究院;2010年
2 李德华;光整流产生THz辐射及其转换效率的研究[D];山东科技大学;2010年
3 刘少刚;基于单一平面电容传感器的木材含水率检测系统研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
4 易煦农;人工电磁材料的光学特性及应用研究[D];华中科技大学;2010年
5 王海涛;月球车热控关键问题研究及材料光谱性质的选择性调节[D];中国科学技术大学;2010年
6 李学识;基于表面波驱动的等离子体天线及其阵列技术研究[D];华南理工大学;2010年
7 赵立华;纳米尺度光波导及微结构若干性质研究[D];南开大学;2010年
8 廖臣;三维电磁粒子模拟并行算法及其应用研究[D];电子科技大学;2010年
9 王建勋;Ka波段回旋放大器及W波段带状束电子光学系统的研究[D];电子科技大学;2010年
10 荆燕飞;线性方程组迭代法与预条件技术及在电磁散射计算中的应用[D];电子科技大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 贾东芳;离散模型下的美式期权定价[D];河南理工大学;2010年
2 余波;惯性约束聚变的中子半影成像诊断系统和非线性重建方法研究[D];中国工程物理研究院;2010年
3 李鹏;磁悬浮风力发电机转子系统的研究[D];山东科技大学;2010年
4 孙清珍;太赫兹时域光谱系统实验的研究[D];山东科技大学;2010年
5 张守银;非线性光学差频及和频方法产生太赫兹波及延迟成像的研究[D];郑州大学;2010年
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7 刘兴鹏;基于微波同轴谐振腔物料密度测量技术的研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 王化宇;基于时域有限差分法的微带结构电磁兼容研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 张宇飞;加稀疏约束的非负矩阵分解[D];大连理工大学;2010年
10 马欢;对偶内点法求解随机线性二次最优控制问题[D];大连理工大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 胡西多;陈少文;曾志峰;朱德海;吴木营;;中子散射技术及中国散裂中子源概述[J];东莞理工学院学报;2007年05期
2 丁逸骁;朱银锋;;超导托卡马克工程研究概况[J];低温与超导;2011年08期
3 周俊;刘大刚;刘盛纲;;面向对象的粒子模拟CAD建模系统[J];电子学报;2008年03期
4 黄桃;杨中海;金勇兵;金晓林;胡权;秦钰昆;;多级降压收集极CAD中的二次电子发射模型[J];电子与信息学报;2008年05期
5 屈科;张晓兵;雷威;侯凯;李驰;杨夏喜;;四针氧化锌制备及其场致发射特性[J];发光学报;2008年03期
6 黄海保;叶代启;;有机废气的等离子体协同光催化净化技术[J];环境科学与技术;2007年08期
7 李党生;冯涛;姚水良;;低温等离子体与催化剂联用降解空气中低浓度的苯[J];环境科学与技术;2007年10期
8 豆桂芳;吴振远;杜艳林;;三维泊松方程的七点差分格式[J];工程地球物理学报;2009年06期
9 卓红斌,常文蔚,卓红春;面向对象柱坐标粒子模拟程序[J];国防科技大学学报;2001年02期
10 霍启峰,邵福球;等离子体粒子模拟中的电磁场边界条件[J];国防科技大学学报;2001年04期
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 曾龙;SUNIST球形托卡马克磁流体力学平衡反演和不稳定性研究[D];清华大学;2010年
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4 刘大刚;带电粒子与场互作用中粒子模拟方法研究[D];电子科技大学;2009年
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中国硕士学位论文全文数据库 前6条
1 杨宇鹏;时域有限差分法中三维永磁结构数值模拟算法研究[D];电子科技大学;2011年
2 殷吉昊;纳米晶金刚石薄膜场致发射特性研究[D];电子科技大学;2003年
3 张兆吉;若干等离子体现象的粒子模拟[D];大连理工大学;2006年
4 查金英;一种高功率、高性能径向虚阴极振荡器的数值模拟研究[D];电子科技大学;2006年
5 卢志琼;直流辉光放电的三维PIC/MCC模拟[D];电子科技大学;2008年
6 宫文英;直流辉光放电电离特性的PIC/MCC模拟[D];电子科技大学;2009年
【二级引证文献】
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1 殷浩杰;;脉冲功率晶闸管制造工艺的数值模拟研究[J];中国新技术新产品;2013年18期
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1 吴陈;考虑空间电荷效应的条纹相机的数值分析[D];大连交通大学;2012年
【二级参考文献】
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9 李明之,刘友健,王长清,徐承和;用CAD技术实现复杂目标FDTD方法几何-电磁建模[J];电子学报;1999年03期
10 文光俊,李家胤,刘盛纲,谢甫珍;同轴型相对论返波管的粒子模拟研究[J];电子学报;1999年12期
【相似文献】
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1 刘大庆,曹莉华,常文蔚,岳宗五;粒子数对共振吸收早期现象粒子模拟的影响[J];国防科技大学学报;1997年05期
2 卓红斌,常文蔚,徐涵,马燕云;低密度等离子体融断开关的粒子模拟研究[J];强激光与粒子束;2001年04期
3 刘占军,郑春阳,李斌,朱少平,曹莉华;相对论电子束在等离子体中的能量沉积[J];强激光与粒子束;2005年01期
4 何琥,刘庆想;X波段渡越管振荡器的粒子模拟和优化设计[J];强激光与粒子束;2004年03期
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6 李志强;舒挺;王勇;钱宝良;赵延宋;;轴向反馈式虚阴极振荡器的频率特性[A];第七届全国激光科学技术青年学术交流会专辑[C];2003年
7 王明红;兰峰;陈嘉钰;;新型曲面镜开放式谐振腔Smith-Purcell自由电子激光的研究[A];中国电子学会真空电子学分会——第十四届年会论文集[C];2004年
8 李天明;李家胤;于秀云;张廷伟;汪海洋;李浩;周翼鸿;邹焕;;关于相对论磁控管效率的粒子模拟研究[A];四川省电子学会高能电子学专业委员会第四届学术交流会论文集[C];2005年
9 李进玺;程引会;吴伟;周辉;;圆柱腔体内系统电磁脉冲计算软件[A];第十四届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集(下册)[C];2008年
10 李进玺;程引会;吴伟;周辉;;圆柱腔体内系统电磁脉冲计算软件[A];第十四届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集(2)[C];2008年
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1 深圳特区报记者 梁婷;深圳广告问鼎国际大奖[N];深圳特区报;2010年
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1 卓红斌;等离子体融断开关物理机制的粒子模拟研究[D];国防科学技术大学;2002年
2 银燕;超短超强激光脉冲与高密度等离子体相互作用的粒子模拟研究[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2003年
3 徐涵;激光尾流场加速电子机理的粒子模拟研究[D];国防科学技术大学;2002年
4 耿志辉;毫米波回旋速调管放大器的自洽非线性理论与模拟[D];中国科学院研究生院(电子学研究所);2005年
5 王浩英;高功率毫米波Cherenkov器件研究[D];电子科技大学;2005年
6 黎泽伦;多注行波管慢波系统的研究[D];合肥工业大学;2008年
7 李天明;相对论磁控管的理论与实验研究[D];电子科技大学;2005年
8 丁可;等离子体应用技术的数值模拟研究[D];复旦大学;2006年
9 于治;几何动理学理论和模拟方法[D];中国科学技术大学;2009年
10 刘辉;霍尔推力器电子运动行为的数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2009年
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1 高强;基于GPU的硬件加速方法在粒子模拟中的应用[D];电子科技大学;2010年
2 张章;高功率微波源中脉冲缩短现象的粒子模拟与机理研究[D];电子科技大学;2004年
3 杨宇鹏;时域有限差分法中三维永磁结构数值模拟算法研究[D];电子科技大学;2011年
4 陈波;准光腔型自反馈虚阴极振荡器的研究[D];国防科学技术大学;2003年
5 胥磊;微波管中的低频离子噪声研究[D];电子科技大学;2004年
6 赵慧;C波段准光腔型虚阴极振荡器的研究[D];国防科学技术大学;2004年
7 张挺;基于粒子模拟问题的GPU高性能计算系统[D];复旦大学;2010年
8 文革利;等离子体辅助的慢波结构振荡器的粒子模拟以及优化设计[D];电子科技大学;2000年
9 徐海洋;带状注电子枪的研究[D];电子科技大学;2008年
10 秦奋;高功率磁绝缘线振荡器研究[D];中国工程物理研究院;2009年
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