朗缪尔探针的加速稳态静电粒子模拟

第一性原理粒子模拟（PIC）是理解等离子体行为的强有力工具，但这种能力往往伴随着巨大的计算代价。人为减小离子/电子质量比是降低模拟成本的一种历史悠久的做法。通常，这是一个严重的近似。然而，对于稳态无碰撞、静电（Vlasov-Poisson）系统，减小质量比的解可以无近似地缩放到真实质量比的解。这种“缩放质量”方法可与已有 PIC 代码配合使用，能将一大类静电 PIC 模拟的计算时间按质量比的平方根减少。所得稳态的粒子分布必须平凡地重新缩放以给出真实分布，但自洽静电场与质量比无关。该方法等价于“数值时间步进”，一种以不同时间步推进电子和离子群体的方法。数值时间步进可视为限速 PIC（SLPIC）方法的特例，后者并不限于稳态现象。尽管缩放质量方法最为简单，数值时间步进和 SLPIC 更易推广以包含其他效应，如碰撞。这些新方法的等价性通过将它们应用于模拟电子-氩等离子体中的圆柱形朗缪尔探针得到证明，将模拟加速了两个数量级。因此，诸如 SLPIC 的方法可通过纳入几何效应、碰撞、二次发射和非麦克斯韦分布，在解释探针测量中发挥无可估量的作用。