[发明专利]一种应用于ECR离子源数值模拟的MPM混合模型模拟方法

说明书

本发明属于ECR离子源数值模拟技术领域，具体为一种应用于ECR离子源数值模拟的MPM混合算法。本发明适用于ECR离子源结构，通过结合MAGY理论与PIC/MCC模拟算法，建立ECR离子源模拟的MPM混合算法，其中时变电磁场由MAGY理论描述，带电粒子与电磁场自洽互作用由PIC算法描述，粒子间的碰撞过程由MCC算法描述。并使原本需要对麦克斯韦方程组的复杂完整求解过程简化为了对一组耦合的关于模式幅值的一维偏微分方程的求解，且由于模式幅值的变化相较于高频周期更为缓慢，时间步长也可以取得相对更大，极大地减小了计算复杂度以及计算量。另外，因为采用的是电磁模型，所以相较于静电模型更能准确地描述实际的物理过程。

技术领域

本发明属于ECR离子源数值模拟技术领域。具体为一种应用于ECR离子源数值模拟的MPM混合模型模拟方法。

背景技术

近几十年来，依托先进的重离子加速器大科学装置，已经形成一个以重离子核物理为核心的学科群，包括对从微观世界的强子、原子核、原子、分子、团簇，到宏观世界的等离子体、固体、天体、宇宙，进行深入了解和认知的基础研究，以及在航天、能源、材料、生物、医学等交叉学科领域开展造福人类的应用基础研究和应用研究。这些重离子加速器装置无一例外地需要高性能的强流高电荷态离子束离子源装置，经过数十年的发展，ECR(电子回旋共振)离子源、EBIS(电子束离子源)以及LIS(激光离子源)成为高电荷态重离子注入器的主要选择。其中，ECR离子源因其优异的性能，良好的稳定性和重复性，成为提供强流直流或长脉冲高电荷态重离子束流的优选。

然而至今为止，一台ECR离子源从设计建造，到其调试出束，大多是在半经验的状态下完成的，没有系统完整的理论可循。由于ECR等离子体状态的复杂性和多变性以及ECR放电过程复杂、瞬态变化极快、控制参数繁多等因素，使得仅仅利用实验是无法深刻理解其物理机制和瞬态过程。随着高速度、大容量高性能计算机的快速发展，使用计算机进行数值模拟已经成为了研究ECR离子源高电荷态离子产生过程的重要手段，并且相较于实验手段，利用数值模拟，不仅能够给出带电粒子的状态参数随ECR离子源参数的变化规律，还能够解释高电荷态离子产生过程中包含的各种物理机制，为优化ECR离子源的设计提供有价值的参考。

目前，国内外针对ECR离子源所采用的数值模拟算法通常有两种，流体力学模拟算法和粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的算法。

流体力学模拟算法适合复杂几何形状的模拟，并且计算速度相对PIC/MCC算法较快，收敛性也很好，所以是一种应用非常广泛的数值计算算法。但是流体力学算法也存在着一些缺陷，即流体方程需要假设各种粒子都处在局域平衡状态，如电子需要服从局域麦克斯韦分布。在ECR离子源放电过程中，受电磁场作用的粒子处于非平衡状态，且离子源内高能粒子影响能量分布和空间轮廓，因此流体力学算法对ECR离子源放电的物理细节无法正确描述。

PIC/MCC算法兼顾了PIC算法处理集体相互作用和MCC算法处理粒子碰撞的优势。通过跟踪大量粒子的运动，把等离子体体系的所有微观信息都包括在内，原则上可以得到等离子体宏观和微观的任何信息。因此PIC/MCC算法是迄今为止公认的一种计算更加准确的等离子体模拟算法。

在PIC/MCC算法中的电磁场计算部分，按照求解不同形式的电磁方程，分为静电模型、电磁模型与静磁模型。基于ECR离子源物理特征，并出于计算量与复杂度的考虑，目前国内外涉及到的以静电模型为主。在静电模型的情况下只需要考虑带电粒子与静电场的相互作用，因此这种模型的求解问题比较简单，只需要求解泊松方程即可。而在电磁模型的情况下需要考虑电磁场与带电粒子的互作用，这种模型在实际应用中非常普遍，但是求解过程比较复杂，需要求解完整的麦克斯韦方程组。显而易见，相较于静电模型，应用电磁模型才能更准确地反映ECR离子源中电磁场与带电粒子的实际相互作用。