粒子模拟中的一种高频噪声抑制算法

计算物理 ›› 2011, Vol. 28 ›› Issue (2): 243-249.

粒子模拟中的一种高频噪声抑制算法

刘大刚, 周俊, 杨超, 蒙林

电子科技大学物理电子学院, 四川成都 610054

收稿日期:2010-03-05 修回日期:2010-08-05 出版日期:2011-03-25 发布日期:2011-03-25
作者简介:刘大刚(1973-),男,贵州遵义,主要从事电磁粒子模拟软件算法方面的研究工作.
基金资助:
国家自然科学基金(10676110)资助项目

An Arithmetic for Filtrating High-frequency Noise in Particle-in-cell Simulation

LIU Dagang, ZHOU Jun, YANG Chao, MENG Lin

School of Physical Electronics, University of Electronics Science and Technology of China, Chengdu 610054, China

Received:2010-03-05 Revised:2010-08-05 Online:2011-03-25 Published:2011-03-25

摘要/Abstract

摘要： 对粒子模拟中的高频噪声的产生机理进行分析,并给出一种既能对高频数值噪声进行过滤又能满足Q值较高的相对论型微波器件计算要求的时域有限差分(FDTD)算法——High_Q FDTD算法.在中心差分FDTD算法和时偏FDTD算法的基础上,给出High_Q算法的计算公式,并着重分析算法的稳定性与收敛性.通过对相对论返波管(RBWO)的计算,将计算结果与中心差分和时偏FDTD算法的计算结果比较,验证算法有较好的滤波特性和计算精度.

关键词: 粒子模拟, FDTD算法, 高频噪声, 相对论粒子

Abstract: Mechanism of high-frequency noise in particle-in-cell(PIC) simulation is analysed.An effective finite-difference time-domain(FDTD) method called High_Q FDTD method is developed in which high-frequency noise is filtrated and high quality factor device is calculated with PIC simulation.Formulation of the method is derived on the basis of time-biased and centered-difference FDTD method.Stability and convergence of this method are well analysed.Filter efficiency and calculation precion of this method are compared with those of the time-biased and centered-difference FDTD method in computation of a relativistic backward wave oscillator(RBWO).

Key words: PIC simulation, FDTD method, high-frequency noise, relativistic particles

中图分类号:

刘大刚, 周俊, 杨超, 蒙林. 粒子模拟中的一种高频噪声抑制算法[J]. 计算物理, 2011, 28(2): 243-249.

LIU Dagang, ZHOU Jun, YANG Chao, MENG Lin. An Arithmetic for Filtrating High-frequency Noise in Particle-in-cell Simulation[J]. CHINESE JOURNAL OF COMPUTATIONAL PHYSICS, 2011, 28(2): 243-249.

[1]	徐涵, 卓红斌, 杨晓虎, 侯永, 银燕, 刘杰. 超热电子在稠密等离子体中输运的混合粒子模拟方法[J]. 计算物理, 2017, 34(5): 505-525.
[2]	常恒心, 许铮, 姚伟鹏, 谢雨, 乔宾. 量子电动力学—粒子模拟极端等离子体动力学研究[J]. 计算物理, 2017, 34(5): 526-542.
[3]	孙会芳, 张芳, 董志伟. 圆柱体外SGEMP的三维数值模拟[J]. 计算物理, 2016, 33(4): 434-440.
[4]	李芙屹, 向东, 龚学余, 路兴强. 低频Alfvén波多波相干加热粒子模拟[J]. 计算物理, 2016, 33(4): 441-446.
[5]	王辉辉, 刘大刚, 蒙林, 刘腊群. 粒子群及遗传算法在相对论返波管中的应用[J]. 计算物理, 2014, 31(4): 479-485.
[6]	李克华, 龚学余, 路兴强, 李景春. 低频Alfvén波对等离子体非共振加热与随机加热的粒子模拟[J]. 计算物理, 2012, 29(5): 739-744.
[7]	杨长鸿, 蒙林, 张开志, 刘大刚, 廖树清, 代志勇. 光发射模块的实现及直线感应加速器注入器的模拟[J]. 计算物理, 2012, 29(3): 383-388.
[8]	许峰, 曹莉华. 啁啾激光脉冲受激拉曼散射理论和粒子模拟[J]. 计算物理, 2011, 28(4): 589-597.
[9]	钟双英, 刘崧. 一种高效计算各向异性磁化等离子体的时域有限差分算法[J]. 计算物理, 2009, 26(3): 415-421.
[10]	陈民, 盛政明, 郑君, 马燕云, 张杰. 粒子模拟程序的发展及其在激光等离子体相互作用研究中的应用[J]. 计算物理, 2008, 25(1): 43-50.
[11]	银燕, 常文蔚, 徐涵, 卓红斌, 马燕云. 等离子体粒子模拟中的有效电流分配方法[J]. 计算物理, 2007, 24(6): 655-659.
[12]	周俊, 祝大军, 刘大刚, 刘盛纲. 粒子模拟中的时偏FDTD算法[J]. 计算物理, 2007, 24(5): 566-572.
[13]	陆全明, 窦贤康, 王水, 王曙. 二维等离子体并行PIC模拟的性能分析及应用[J]. 计算物理, 2005, 22(3): 264-270.
[14]	李斌, 刘占军, 郑春阳, 朱少平. 粒子模拟激光斜入射边界条件的处理[J]. 计算物理, 2004, 21(6): 509-514.
[15]	马燕云, 常文蔚, 银燕, 卓红斌, 徐涵. 三维面向对象的并行粒子模拟程序PLASIM3D[J]. 计算物理, 2004, 21(3): 305-311.