一种用于任意电磁场中带电粒子轨道计算的能量守恒且渐近保持的隐式时间积分器
计算物理
2020-07-15 v1 等离子体物理
摘要
我们提出一种用于任意电磁场中带电粒子轨道计算的新型隐式渐近保持时间积分格式。该格式基于 Crank-Nicolson 积分器构建，在小时间步长极限下恢复全轨道运动，同时当步长跨越回旋时间尺度时也能恢复所有一阶引导中心漂移以及正确的回旋半径。与以往该方向的研究相比，新格式还具有精确能量守恒特性。在格式推导中，我们发现引入了一个新的数值时间尺度。我们分析了该尺度并推导出对时间步长的相应限制。基于此分析，我们开发了一种自适应时间步长策略，在物理上合理时跨越回旋尺度步进的同时尊重这些约束。通过对单粒子运动的数值测试表明，该格式的能量守恒特性带来了精度上的巨大提升，并且由于自适应时间步长，该格式能够在磁化与未磁化 regime 之间平滑过渡。
引用
@article{arxiv.1904.09478,
title = {An energy-conserving and asymptotic-preserving charged-particle orbit implicit time integrator for arbitrary electromagnetic fields},
author = {Lee F. Ricketson and Luis Chacón},
journal= {arXiv preprint arXiv:1904.09478},
year = {2020}
}