摘要：本文研究了粒子群优化算法(PSO),在全三维粒子模拟(PIC)软件CHIPIC平台上,设计了PSO优化模块,成功研制了PIC/PSO代码.接着,研究了多频(包括单频)微波的输出功率特性,并根据该特性设计了一类目标函数.采用该类型优化目标函数,分别对单频与双频相对论返波管(RBWO)进行了模拟优化.模拟优化结果显示:随着优化过程的进行,单频RBWO的频率特性向单频靠近,双频RBWO的频率特性则向等幅双频靠近,它们的输出功率都逐渐增大.这表明通过控制该类型目标函数参数,该PIC/PSO代码可分别对单频与双频RBWO进行优化.

摘要：根据94 GHz回旋振荡管对电子束的需求,在理论分析电子枪工作原理的基础上通过大量编程对94 GHz单阳极磁控注入式电子枪的一系列参数进行了初始设计,基于粒子模拟软件CHIPIC开发了专门针对磁控注入式电子枪的计算模块并对其进行了数值模拟。模拟结果显示:该枪的电子束横纵速度比为1.42、速度零散为4.6%,符合回旋振荡管对电子注的要求。

摘要：深入研究库仑碰撞,对两种库仑碰撞模型—-Ta模型与Nanbu模型在理论上进行了对比分析,详细阐述了两种模型中散射角大小的区别.在已有的采用Ta模型的全三维粒子模拟/蒙特长罗(PIC/MCC)算法基础上,采用Nanbu模型对电子间库仑碰撞计算模块重新进行了算法设计.分别应用Ta模型、Nanbu模型和无库仑碰撞的全三维PIC/MCC算法对国外热门负氢离子源JAEA10A中的电子能量沉积进行了模拟分析.模拟结果与实验结果的对比分析发现:1)库仑碰撞使电子能量分布更接近于麦克斯韦分布;2)相对于传统的Ta模型,Nanbu模型的散射角考虑了多体碰撞的累加效果从而具有更高的期望值,按其模拟得到的电子温度具有更高的精度.这些为国内外学者设计相关算法指明了方向.

摘要：本文深入研究负氢离子输运及引出物理机理,理论分析了交换电荷反应及库仑碰撞过程,并设计了相应数值计算模块.在此基础上,采用有限差分法计算负氢离子所受洛伦兹力,运用蒙特卡罗碰撞方法处理负氢离子与其他粒子间的碰撞,成功研制了表面产生负氢离子输运及引出的全三维MCC算法,结合国外热门离子源JAEA10A离子源进行模拟验证,结果显示:随着过滤磁场增大,引出离子数越大,离子源空间生存离子总数越小;当过滤磁场较小时,气压越大引出离子数越多,当过滤磁场较大时,气压越小引出离子数越多.

摘要：深入研究潘宁放电的物理机制,研制了全三维高品质算法粒子模拟软件(PIC),设计并添加了相应物理情景的蒙特卡罗碰撞模块(MCC),并对电子、氢分子离子(H+2)、氢正离子(H+)、氢三正离子(H+3)同时进行了跟踪,成功研制了全三维电磁PIC/MCC数值算法.结合国内研究较热的潘宁放电模型,对该算法进行模拟验证.模拟结果显示:采用有效的滤波算法能抑制电磁数值噪声,电子能量呈麦克斯韦分布,由于电子的径向漂移和加速导致离子源顶端H+2产量较大.

摘要：为了更好地实现对大尺度器件的模拟,以及更系统地验证和解决高功率微波系统在设计和实验中负载变化等影响,在进一步深入研究电磁PIC并行算法的基础上,运用MPI消息传递函数做出了改进。提出了一种整体建模、分段解析的并行算法,并从并行时序算法入手,通过减少一次同步提高了计算的效率。最后经过一个磁绝缘线振荡器进行验证,改进的算法正确,并且当计算进程数4个增加到16个时,计算速度能提高2.5倍左右。

摘要：深入研究电子束对中性气体电离的物理机理,在粒子模拟(PIC)软件CHIPIC的基础上,设计了蒙特卡罗(MCC)电离碰撞模块,并对电子与离子同时进行了跟踪,成功研制了全三维电磁PIC/MCC代码.通过该软件对填充氦气相对论返波管的模拟,对全三维电磁PIC/MCC代码进行验证.模拟结果显示:填充气体可以中和空间电荷限制效应,有效提高电流大小;填充适量的气体可提高功率峰值,扩展脉冲宽度;过量的气体则会缩短脉冲宽度、降低峰值功率.

摘要：基于trade-off平衡方程组得到35GHz双阳极磁控注入式电子枪的初始参数,通过编程对其主要参数进行优化设计,并经由自主研发的PIC粒子模拟软件CHIPIC中的电子枪计算模块对其进行全三维的数值模拟研究,最终获得了具有横纵速度比为1.5,最大速度零散约为5.4%的高性能电子枪,能够很好地满足35GHz-100kW回旋振荡管对电子束的要求。

摘要：为了打破传统单注回旋管只能产生较低功率的局限性,本文基于自主研发的PIC粒子模拟软件CHIPIC对110 GHz和220 GHz同轴腔双注回旋管进行全三维数值模拟研究.在理论分析同轴双电子注电子枪设计模型和初始参数的基础上通过CHIPIC对其进行优化设计,得到了具有横纵速度比为1.0,最大速度零散约为5.4%的高性能电子束;并将此优化后的双阳极双注电子枪取代传统回旋管数值模拟时采用的回旋发射进行110 GHz和220 GHz双注回旋管整管的数值模拟,并采用MPI四进程并行计算,最终获得了具有双频分别为110 GHz和220 GHz、模式为TE02模、平均输出功率约在70 kW、效率达到8.75%的高性能双注回旋振荡管.

摘要：在分析负氢离子源中等离子体物理机理基础下,研究并优化粒子模拟算法,设计高效的粒子存储方法.研究并运用粒子碰撞蒙特卡罗方法,考虑等离子体势以及带电粒子间库仑碰撞,研制了全三维粒子模拟/蒙特卡罗算法(PIC/MCC).采用磁荷模型,运用时域有限差分方法计算多峰磁场,并结合国外负氢离子源JT-60U,考虑负氢离子源中主要反应,对全三维PIC/MCC模拟算法模拟验证.