消除谱电磁粒子网格代码中的数值切伦科夫不稳定性

Peicheng Yu; Xinlu Xu; Viktor K. Decyk; F. Fiuza; Jorge Vieira; Frank S. Tsung; Ricardo A. Fonseca; Wei Lu; Luis O. Silva; Warren B. Mori

doi:10.1016/j.cpc.2015.02.018

消除谱电磁粒子网格代码中的数值切伦科夫不稳定性

等离子体物理 2015-05-20 v2 计算物理

作者: Peicheng Yu , Xinlu Xu , Viktor K. Decyk , F. Fiuza , Jorge Vieira , Frank S. Tsung , Ricardo A. Fonseca , Wei Lu , Luis O. Silva , Warren B. Mori

在 arXiv 上查看 ↗ PDF ↗ DOI ↗

摘要

当使用电磁粒子网格 (EM-PIC) 代码模拟相对论漂移等离子体时，会发生一种剧烈的数值不稳定性，称为数值切伦科夫不稳定性 (NCI)。NCI 源于网格上的电磁波与波粒共振（包括混叠共振）之间的非物理耦合，即 $\omega + 2\pi\mu/\Delta t=(k_1+ 2\pi\nu_1/\Delta x_1)v_0$ ，其中 $\mu$ 和 $\nu_1$ 分别指时间和空间混叠，等离子体以速度 $v_0$ 沿 $\hat{1}$ 方向相对论漂移。最近的研究表明，使用谱场求解器和低通滤波器的 EM-PIC 代码可以消除 NCI 中增长最快的模式。基于这些研究，开发了一种新的用于在 Lorentz 提升参考系中研究激光尾场加速 (LWFA) 的谱 PIC 代码。然而，我们表明，对于提升参考系中 LWFA 模拟的相关参数，相对论漂移等离子体易受许多其他增长率较低的不稳定模式的影响，并且当最快增长的不稳定模式被滤除时，这些模式就会出现。我们指出，这些模式最容易被视为等离子体静止参考系中纯横向 (EM) 模式与纯纵向 (Langmuir) 模式之间针对特定时间和空间混叠的耦合。我们为一般场求解器重写了漂移等离子体的色散关系，并获得了每个不稳定模式（即每个时间和空间混叠共振）位置和增长率的解析表达式。我们表明，对于谱求解器，当最快增长的模式被消除时，可以在基频共振处 ( $\mu=\nu_1=0$ ) 观察到一个新的模式。（请查阅论文中的完整摘要）

关键词

数值切伦科夫不稳定性电磁粒子网格代码谱求解器相对论等离子体激光尾场加速色散关系

引用

@article{arxiv.1407.0272,
  title  = {Elimination of the numerical Cerenkov instability for spectral EM-PIC codes},
  author = {Peicheng Yu and Xinlu Xu and Viktor K. Decyk and F. Fiuza and Jorge Vieira and Frank S. Tsung and Ricardo A. Fonseca and Wei Lu and Luis O. Silva and Warren B. Mori},
  journal= {arXiv preprint arXiv:1407.0272},
  year   = {2015}
}

备注

36 pages, 12 figures

消除谱电磁粒子网格代码中的数值切伦科夫不稳定性

摘要

关键词

引用

备注

相关论文