Теоретический и численный анализ нелинейных задач физики плазмы посредством кода КАРАТ

• Автор: Тараканов, Владимир Павлович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 264 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1 Физическая модель и алгоритмы

1.1. Основные уравнения физической модели

1.2. Решение уравнений Максвелла

1.2.1. Конечноразносгная схема в ЗБ случае

1.2.2. Особенности схемы в осесимметричном 20 случае

1.2.3. Конечноразностная схема в ХТ случае

1.2.4. Граничные условия

1.2.5. Уравнение Пуассона

1.3. Решение уравнений движения

1.4. Применение ПС-метода и цифровая фильтрация
1.5. Основные моделируемые физические явления
1.5.1. РЮ-моделирование пучков частиц и плазменных областей
1.5.2. Моделирование столкновительных процессов
Упругие столкновения электронов в объеме
Ионизация в объеме
Столкновения с поверхностью
Тормозное излучение на ядре: генерация гамма-квантов
ББ-рсакция
1.5.3. Феноменологически моделируемые объекты
Проводящие, диэлектрические и магнитоактивные среды без дисперсии
Среда Друде
Среда Лоренца
КЬС-цепи
1.5.4. Идеально согласованный слой (РМЬ область)
1.5.5. Граница с конечной проводимостью
1.5.6. Вычисление поля источника в дальней волновой зоне
Глава 2 Структура кода
2.1. Последовательность вычислений
2.2.Структура базы данных (ОБ)
2.2.1. Меню 0ШТ№
2.2.2. Меню САЬСГдаО
2.2.3. Меню РНУБЮТО
2.2.4. Меню ОЕОМЮТО
Особенности задания геометрии в ЗБ
2.3. Анализ результатов расчета
Глава 3 Результаты моделирования физических задач
3.1. Результаты Ю моделирования
3.1.1.Формирование виртуального катода (ВК)
3.1.2. Динамика плазменного слоя
3.1.3. Динамика лазерной мишени
3.2. Результаты 2Б моделирования в тоской геометрии
3.2.1. Фокусировка пучка и шланговая неустойчивость
3.2.2.Инжекция ленточного пучка в плазму
3.2.3.Анизотропная ХУейэеГнеустойчивость
3.2.4.Сканирующнй электронный пучок
3.2.5. Взаимодействие сверхинтенсивного лазерного импульса с мишенью
Ускорение ионов
Оглавление
Генерация гамма квантов тормозного излучения
Инициация ОЭ-реакции и генерация нейтронов
Моделирование процесса ионизации полем
3.2.6. Формирование электронных сгустков при облучении пленок лазерами
3.2.7. Распространение сверхширокополосного импульса в среде Лоренца
3.3. Результаты 20 моделирования в осесимметричной геометрии
3.3.1. Моделирование ТЕМ-т(пульса в волноводе
3.3.2. Излучение СШП импульсов через коаксиальный ТЕМ-рупор
3.3.3.Формирующая линия с секцией спирального типа
3.3.4. Моделирование устройств с виртуальным катодом
3.3.5. Электронная ловушка источника ионов
3.3.6. Цилиндрический виркатор как источник нейтронов
3.3.7.Ускоритель заряженных частиц на спутнике
3.3.8.Гибридная магнитная фокусирующая система
3.3.9.Коаксиальный диод с магнитной самоизоляцией
3.3.10. Обратный диод-рекуператор
3.3.11. Релятивистская лампа обратной волны
3.3.12. Генерация СВЧ-излучения с мощностью больше мощности пучка
З.ЗЛЗ.Кильватерные поля для ускорителя
3.3.14. Отражение электронов от коллектора
3.3.15. Моделирование СВЧ устройств с плазмой
Результаты при моделировании плазмы средой Друде
Результаты при моделировании плазмы РЮ-методом
3.3.16. ВЧ индукционный разряд в системе с нейтральным контуром
3.3.17.Моделирование пучково-плазменного разряда
3.3.18. Парное взаимодействие пылевых частиц в плазме
3.4. Результаты 2Б моделирования в полярной системе координат
3.4.1.Моделирование гладкого магнетронного диода
3.5. Результаты моделирования в 30 декартовой системе координат
3.5.1. Широкополосная рупорная антенна
3.5.2. Нагрев парафина в скважине
3.5.3. Фокусировка пучка и шланговая неустойчивость
3.5.4. Сжатое состояние пучка
3.5.5. Двухсекционный виркатор
3.5.6. Кильватерные поля для ускорителя
3.6. Результаты 30 моделирования в цилиндрической системе координат
3.6.1. Моделирование магнетрона
Заключение
Библиография
Введение
Решение уравнений Максвелла (Maxwell J.C.) [1] является необходимым элементом многих теоретических и прикладных физических задач. Лишь для небольшой их части были получены аналитические решения, причем в сильно идеализированных постановках. Более того, в большинстве случаев даже эти решения выражаются через специальные функции и, следовательно, являются численными решениями. Поэтому с появлением компьютеров естественным образом началась работа по их применению в электродинамике. При этом происходило увеличение размерности задач, переход от поиска стационарных решений к описанию динамического поведения изучаемых систем, включение в модели новых эффектов и элементов. Моделирование освобождалось от все большего числа приближений и основывалось на первых принципах электродинамики, а именно уравнениях Максвелла и уравнениях Ньютона—Лоренца. Реализацией этого направления стало изобретение и использование метода крупных частиц в США в научных коллективах во главе с О. Бунеманом и Дж. Даусоном [2]. Вскоре была предложена конечно-разностная схема [3], ставшая основой FDTD {Finite Difference Time Domain) схемы решения уравнений Максвелла.
Состояние исследований в области комшотерного моделирования электродинамических задач в конце 1980-х годов, когда была начата работа над кодом КАРАТ, с большой полнотой отражена в монографиях советских ученых А. С. Рошаля [4], Ю. А. Березина и В. А. Вшивкова [5], британцев Р. Хокни и Дж. Иствуда [6] и американцев Ч. Бэдсела и А. Лэнгдона [7]. Важным результатом на тот момент было доведение техники решения стационарных задач, в частности, описания ускорения и распространения электронных пучков, до возможности применения результатов к конструированию сильноточных электронных ускорителей. Другим результатом было решение нестационарных потенциальных задач (когда уравнения Максвелла сводятся к уравнению Пуассона), включая моделирование макрочастицами плазмоподобных сред. Были разработаны эффективные методы решения уравнения Пуассона, в частности, метод быстрого преобразования Фурье {Fast Fourier Transformation, FFT) и др. Начато моделирование антенн методом FDTD. Однако все разработанные для этих целей коды, во-первых, были узко специализированными и, во-вторых, могли быть использованы лишь авторами кодов.
Поэтому естественным было возникновение идеи разработки компьютерного кода, который включал бы в себя, по-возможности, все существовавшие на тот момент алгоритмы и позволял бы моделировать физические задачи в постановках, близких к реальным. В коде в удобной форме посредством дружественного пользователям (англ. user friendly) графического интерфейса должны были задаваться необходимые начальные, граничные условия и материальные уравнения. В результате решения
Физическая модель и алгоритмы

Lmtz-xz-blood- E||Y
time= 0 00 ns
Lmtz-xz-blood- E||Y
Рис. 9. Зависимости в и а от частоты для крови (желтая линия — эксперимент, красная — модель среды Лоренца)
launching of ТЕМ wave, Lmtz, lung
launching of ТЕМ wave. Lmtz, lung
10' 10°
frequency (Hz)
Рис. 10. Зависимости e и сг от частоты для тканей печени (желтая линия — эксперимент, красная — модель среды Лоренца)
(М launching of ТЕМ wave, Lmtz, brain
time= 0 00 ns
launching of ТЕМ wave. Lmtz, brain
time= 0 00 ns
Рис. 11. Зависимости от частоты є и сг для тканей мозга (желтая линия — эксперимент, красная — модель среды Лоренца)
Lorentz experiment —Lorentz experiment