相对论性粒子积分器的全面比较

我们比较了等离子体物理中常用的相对论性粒子积分器，展示了几个与天体物理相关的测试案例。考虑了三种显式粒子推进器：Boris、Vay和Higuera-Cary方案。我们还提出了一种新的相对论性全隐式粒子积分器，它是能量守恒的。此外，还包含了一种基于相对论性引导中心近似的方法。对这些算法进行了描述，以便它们可以很容易地实现在磁流体动力学代码或粒子网格代码中。我们的比较侧重于粒子积分器的优势和关键特征。我们测试了运动不变量的守恒，以及在高相对论、中等相对论和非相对论设置下粒子漂移动力学的准确性。这些方法在理想化的测试案例中进行了比较，即不考虑对电动力学场的反馈、碰撞、对产生或辐射。测试案例包括均匀电场和磁场、$\mathbf{E}\times\mathbf{B}$场、无力场，以及与高能天体物理相关的设置，例如磁镜、磁偶极子和磁零点。这些测试与激波和磁重联中的粒子加速直接相关。