基于方位角傅里叶分解的高效等离子体加速准静态粒子网格算法：QPAD
计算物理
2021-02-03 v1 加速器物理
等离子体物理
摘要
三维准静态粒子网格（PIC）算法是模拟短脉冲激光或相对论带电粒子束-等离子体相互作用的一种非常高效的方法。在该算法中，等离子体对非演化激光或粒子束的响应使用基于准静态近似方程（排除辐射）的麦克斯韦方程组计算。然后利用等离子体场以大时间步长推进激光或粒子束。该算法比三维全显式相对论电磁 PIC 算法快多个数量级。已证明它能够在多种场景中精确模拟激光与粒子束的演化。同时，一种将场、电流与麦克斯韦方程分解为方位角谐波的算法，在截断展开时，已将三维显式 PIC 算法的复杂度降至二维算法水平，同时对近方位角对称问题保持精度。该混合算法在 r-z 中使用 PIC 描述，在中使用无网格描述。我们描述了一种结合准静态与混合 PIC 方法的新方法。该算法将场、电荷与电流密度展开为方位角谐波。针对每个谐波导出一组准静态场方程。然后使用有限差分法求解场的复振幅。束与等离子体粒子使用总场在笛卡尔坐标中推进。介绍了该算法如何使用与现有准静态代码 QuickPIC 类似的工作流实现。新代码称为 QPAD，意为带方位角分解的 QuickPIC。还给出了全三维显式 PIC 代码、全三维准静态代码以及新带方位角分解准静态 PIC 代码之间的基准测试与比较。
引用
@article{arxiv.2002.08494,
title = {A quasi-static particle-in-cell algorithm based on an azimuthal Fourier decomposition for highly efficient simulations of plasma-based acceleration: QPAD},
author = {Fei Li and Weiming An and Viktor K. Decyk and Xinlu Xu and Mark J. Hogan and Warren B. Mori},
journal= {arXiv preprint arXiv:2002.08494},
year = {2021}
}