库仑碰撞的自适应时间步长蒙特卡洛积分
等离子体物理
2018-01-17 v1
摘要
我们报告了一个易用且稳健的工具，用于评估服从 Maxwell-Jüttner 统计的等离子体中库仑碰撞对测试粒子的影响。该实现基于 Beliaev-Budker 碰撞积分，允许测试粒子和背景等离子体均为相对论性的。该积分方法支持自适应时间步长，被证明可极大提高计算效率。该蒙特卡洛方法在三维粒子动量空间和五维引导中心相空间中均得到实现。我们提供了该算符的物理机制和实现细节的详细描述。重点在于随机微分方程的自适应积分，这是现有库仑碰撞算符蒙特卡洛实现中被忽视的一个方面。我们验证了该算符收敛于已知解析结果，并证明对自适应时间步长的不谨慎实现会导致严重错误结果。该算符作为一个自包含的 Fortran 95 模块提供，可纳入现有的轨道追踪工具中，这些工具追踪完整的拉莫尔运动或引导中心动力学。该自适应时间步长算法有望在碰撞频率在模拟过程中变化剧烈的情况下发挥作用。例子包括聚变产物或其他快离子的慢化，以及逃逸电子的 Dreicer 生成，还有通过离子或电子回旋共振加热产生快离子或快电子。
引用
@article{arxiv.1701.05043,
title = {Adaptive time-stepping Monte Carlo integration of Coulomb collisions},
author = {Konsta Särkimäki and Eero Hirvijoki and Juuso Terävä},
journal= {arXiv preprint arXiv:1701.05043},
year = {2018}
}