粒子模拟 中激励源的一种等效设置方法.pdfVIP

第19卷 第5期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol.19，No.5 2007年5月 HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS May，2007 文章编号:1001一4322(2007)05一0790一05 粒子模拟中激励源的一种等效设置方法’ 周 俊，刘大刚，刘盛纲 (电子科技大学物理电子学院，成都61。。54) 摘 要:基于计算电磁学中对强迫激励源消除虚假反射的算法分析，提出了用等效电流和等效磁流在 FDTD公式中引人电场激励源和磁场激励源的方法。从粒子模拟方法的基本方程和迭代公式出发，分析了激 励源的引人过程，推导出激励源所等效的电流项和磁流项表达式，实现了新的激励源设里方法，并进行了数值 验证和结果讨论。研究表明:这类等效模型与标准FDTD公式能紧密结合，引人非常方便;不必专门设里一个 附加的散射场区来处理散射场的计算，大大节省了计算时间和计算内存，比常规总场/散射场体系方法的效率 高20%以上，对粒子模拟这类耗时的计算较为适用。通过对2维柱坐标系下相对论速调管放大器(RKA)的模 拟，证明了此类激励源设里方法的实用性。 关钮词:FDTD法;粒子模拟;激励源;等效电流;等效磁流 中图分类号:0462.4;TN015 文献标识码:A 近年来，随着计算机技术的快速发展，粒子模拟技术也取得了很大的进步。由于粒子模拟中的物理问题比 较复杂，因此粒子模拟计算常常所占内存大，所耗机时长，所以在设计算法时应考虑到对计算机资源的合理利 用。时域有限差分(FDTD)法[lj近年来被广泛用于各类电磁场问题的计算，由于FDTD采用时间和空间的差 分对Maxwell方程组直接离散化，因此在计算复杂问题时具有非常大的灵活性，也是粒子模拟中场求解方法 的首选。在对许多实际器件(如各类微波管振荡器和放大器)的模拟中，激励源的适当引人是至关重要的，因为 源所激励起的电磁场是否符合实际情况直接决定了能否正确模拟到真实的物理现象。目前大部分激励源引人 方式都是建立在总场/散射场体系上的，这类方法将源附近的总场看作是人射场和散射场的线性叠加，其中人 射场已知，总场和散射场可以相互求解，具体求解方法既可利用连接边界两侧场信息的交换[2一们，又可利用模拟 区内电磁波的传播特性5〔〕。另外，强迫激励源也常被用来处理许多工程问题[6j，它采用直接对电磁场赋值的方 法，形式简单、使用方便，缺点是容易造成虚假反射，限制了其使用范围。 本文基于计算电磁学中对强迫激励源消除虚假反射的算法分析[6j，将激励源等效成有源麦克斯韦方程组 中的附加电流项或磁流项，从而将激励源很自然地引人到FDTD迭代公式中。该方法不会引人虚假反射，算 法结构紧凑且容易实现，对粒子模拟中常用的各类激励源形式均能够实现快速精确的模拟。文中通过简单模 型的数值验证和具体器件的模拟计算，对该方法和常规总场/散射场体系激励源进行了多方面比较，结果表明 两者计算精度相当，但该方法计算效率高了20%以上，也能节省较多的内存使用，具有较好的实用性。 1 理论模型及其算法 在电磁粒子模拟中，考虑相对论效应的有源Maxwell方程组和相关的联立方程 了 1 、 aE . . 、 1 产 刁 告:xH一扣·