面向数千处理器的三维等离子体粒子模拟程序研制

等离子体粒子模拟是研究激光聚变中激光与等离子体相互作用的有效手段．有些应用需要模拟包含上百亿粒子的模型,其中粒子分布不均匀且动态运动．为满足需求,研制了可扩展到数千处理器的三维等离子体粒子模拟程序,其关键技术包括基于网格片的负载平衡策略、粒子数据结构和数据通信的封装、大规模数据的可视化等．在某并行机的2500个处理器上,该程序成功模拟了短脉冲激光与锥壁等离子的相互作用,其中粒子数达到12G,模拟5000时间步花费15h,共输出50GB的三维数据．这些数据可直接在并行可视化软件上显示,有助于物理学家深入理解模拟结果．     

基于强激光场与固体靶相互作用的等离子体光栅产生新机制研究

等离子体光栅由于不存在电磁场击穿效应,因此在强场物理研究中有着重要的应用.通过粒子(particle-in-cell, PIC)模拟的方法,利用皮秒强激光脉冲(激光场强度I的数量级约为10¹⁵W/cm²)与超临界密度固体靶(粒子数密度n≈10nc)相互作用,发现了一种等离子体数密度光栅产生的新机制.研究表明,这种新型等离子体光栅来源于强激光在固体靶中激发的等离子体波的干涉.因此只需要单束激光就可以激发产生,其持续时间可达数皮秒量级.该光栅具有纳米尺度的空间周期,相比于传统的通过两束激光在稀薄等离子体中干涉产生的激光波长尺度(微米)的等离子体光栅,这一发现对于x波段的强光操控有着潜在的应用价值.     

温度对氮活性粒子(N+,Nf)轰击阴极壁的影响

采用蒙特卡罗方法,模拟研究了氮直流辉光放电电子碰撞、离解和N2+电荷交换离解过程,产生的活性粒子(N+,Nf)轰击阴极壁的能量分布随放电气体温度的变化规律.结果表明阴极壁处活性粒子(N+,Nf)的能量最高且粒子数密度最大,最佳放电温度与参数(P,Vc)相关联.模拟结果为等离子体与材料表面的相互作用过程的认识提供了依据.     

利用超强激光脉冲与平板等离子体相互作用产生超热电子

随着超强脉冲激光技术的不断发鼹,利用超强激光脉冲与平板等离子体相互作用产生超热电子的研究,在激光惯性约束中的“快点火”,医学中的射线治疗和台式激光加速器等领域广泛应用．木文用二维粒子模拟方法研究了超强短波脉冲激光与平扳等离子体薄靶相互作用中产生的超热电子．以研究结果表明,在平板等离子体薄靶后表面所产生的超热电子,角分布较小,定向性好,能获得很高的能量。     

温度对氮活性粒子（N^＋,Nf）轰击阻极壁的影响

采用蒙特卡罗方法，模拟研究了氮直流辉光放电电子碰撞、离解和N2^ 电荷交换离解过程，产生的活性粒子（N^ ,Nf)轰击阴极壁的能量分布随放电气体温度的变化规律。结果表明：阴极壁处活性粒子（N^ ,Nf)的能量最高且粒子数密度最大，最佳放电温度与参数（P，Vc)相关联。模拟结果为等离子体与材料表面的相互作用过程的认识提供了依据。     

超短超强激光与等离子体相互作用中质子发射一些研究进展

超短超强激光与等离子体相互作用中得到的高能质子在质子成像、粒子加速、诊断超短超强激光与等离子体相互作用的物理过程、“快点火”和治疗癌症等方面有一定的应用。使得对超短超强激光与等离子体相互作用得到的高能质子的研究成为目前的研究热点。文章综述了产生质子的两种主要加速机制以及在不同实验条件下超短超强激光与等离子体相互作用过程中得到质子的能量、角分布、产额以及相关的原理。     

基于BP神经网络的并行算法

对强激光与等离子体相互作用三维数值模拟程序LARED_P数据输出进行分析,针对大规模数据模拟数据的特点,提出了基于BP神经网络的并行算法,即在各个搜索子空间内对训练集合中的学习样本进行并行训练。实例表明:不仅可避免陷入局部极小点,提高网络训练速度,而且仿真效果较好。     

各向异性等离子体的散射频谱

激光散射是高温等离子体诊断的主要手段之一.随着激光诊断技术的发展,目前高温等离子体诊断有从宏观诊断向微观诊断发展的趋势.由激光散射频谱不仅可以确定高温等离子体中的电子、离子温度和密度、外加磁场的大小和方向,而且可以探测等离子体的涨落和局域分布函数等微观信息. 本文从计及完全电磁相互作用的试探粒子方法出发,计算了高温等离子体中有川流存在情况下的激光散射频谱.计算结果表明: (i)由于高温等离子体中有川流存在所引起的各向异性效应,散射频谱中电磁相互作用对散射频谱有修正、附加修正在量级上为K_BT/m_■C~2、u_x~2/C~2(其中K_B为玻尔兹曼常数,C为光速,T、m_■分别为电子的温度、质量,u_■为束流垂直于散射波矢的速度分量).     

谐振势中相互作用费米子的稳定性条件

在局域密度近似的框架内（其中气体在每一点都可以看成是局域均匀的）,得到谐振势中相互作用费米气体的能量密度.在这些表达式的基础上,研究了零温时约束气体的热力学稳定性条件,给出了一维、二维、三维系统稳定条件的解析表达式.此外,绘出了不同维度系统的稳定性相图.结果表明：在本研究中的所有维度中,在特定粒子数密度的条件下,排斥相互作用或无相互作用系统是稳定的.然而,对于吸引相互作用系统,只有在相互作用很弱的条件下,系统才是稳定的.对于一维和三维系统来说,相互作用强度的临界值与粒子数密度紧密相关,而对于二维系统而言,相应的临界值同粒子数密度不存在明显关联性.     

激光产生的Si等离子体的光谱分析

利用双脉冲激光等离子体光谱技术测量了激光烧蚀Si靶产生的极真空紫外波段等离子体光谱,通过标定发现,光谱中的分立谱线主要来自于Si 7+-Si 10+离子的2s-2p跃迁.基于稳态碰撞辐射模型和激发态粒子数布居满足归一化玻尔兹曼分布的假设,计算了不同电荷态Si离子的离子丰度随电子温度的变化关系,并给出了不同等离子体参数条件下的理论模拟光谱.通过与实验光谱的比较,确定了等离子体参数.     

扭曲有质动力驱动产生扭曲的等离子体波（英文）

利用扭曲的有质动力,我们给出了驱动产生的扭曲等离子体波。其中我们利用了两束同向传播的拉盖尔-高斯（LG）光,他们分别携带不同的频率和扭曲指数,结果可以得到扭曲的有质动力。LG光一般被认为携带轨道角动量。三维的网格粒子模拟（PIC）模拟被用来证实激光驱动产生扭曲等离子体波。这种扭曲的等离子体波拥有螺旋旋转的电子密度扰动结构。不同于线性流体理论的预测,模拟结果显示一个非线性的旋转电流和静态的轴向磁场。伴随旋转电流的是扭曲等离子体波中携带轨道角动量的粒子。该文中,我们也给出了详细的扭曲等离子体波的理论分析结果。     

激光与均匀大尺度等离子体相互作用中受激拉曼散射不稳定性的研究

研究了波长为810 nm、脉宽为0.81 ps的圆偏振激光脉冲与毫米量级的一维均匀等离子体相互作用中受激拉曼散射不稳定性;利用一维粒子模拟程序分析了激光沿着靶传播过程中在不同位置的受激拉曼散射,以及激光强度和等离子体密度对受激拉曼散射不稳定性的影响;发现激光强度增强和等离子体密度的增加（1/4临界密度内）均能够促进受激拉曼散射的发展.研究结果可为点火试验的设计提供参考.     

在激光尾场加速中电子密度和初始动量对其自注入及加速的影响

利用哈密顿理论给出了等离子体电子在尾场中捕获及其加速与激光、等离子体参量的关系表达式.讨论了等离子体电子密度和初始动量对电子自注入和加速的影响机制.研究结果表明:静止电子不能被尾场捕获并加速,而具有一定初始动量的电子容易自注入至激光尾场中并得到加速.等离子体密度越小,激光尾场场强越强,电子将获得更大的能量.2维粒子模拟结果与理论结论一致.所得结果对超强超短脉冲激光尾场加速电子的方案具有理论指导意义.     

基于ActiViz.NET的地质体三维显示方法应用研究

简要介绍了VTK(visualization toolkit)中的数据类型,采用可视化领域常用且有效的体绘制方法,利用ActiViz.NET实现VTK在.NET平台上的调用,通过数据读入、映射、渲染、显示等流程完成三维可视化显示.以地质探测数据为例,实现了三维地质的模拟及隧道开挖模拟和漫游等功能.     

脉冲激光沉积(PLD)机理分析及其应用

脉冲激光沉积薄膜是近年来发展起来的使用范围最广,最有希望的制膜技术．该文阐述了脉冲激光沉积技术的机理、特点,薄膜生长主要包括三个过程：1)激光与物质相互作用产生等离子体;2)等离子体向基片扩散;3)等离子体中粒子在基片上生长薄膜．文章还分析了脉冲沉积过程中各主要沉积参数,如激光能量密度、沉积气压和衬底情况等对薄膜质量的影响,并介绍了其在制备半导体、高温超导、类金刚石、生物陶瓷薄膜等方面的应用。     

变权重粒子追踪方法在裂隙网络溶质运移模拟中的应用

粒子追踪方法是模拟裂隙介质地下水中溶质运移的常用方法.在此方法中,模拟点的浓度正比访问此处的粒子数.然而,它在低浓度处计算效率很低.在溶质浓度较低的地方,访问到此处的粒子数很少,导致模拟结果剧烈波动,甚至无法模拟.提出了一种可变权重的粒子追踪方法,浓度的大小正比于访问此处的所有粒子的权重和.通过权重的调节,模拟区的各点的访问粒子数大致相等.通过这种变权重的方案,可以消除低浓度处模拟结果的剧烈波动,大幅提高粒子追踪方法的模拟精度.     

激光烧蚀溅射形成粒子流的碰撞效应模拟研究

在考虑由激光溅射产生等离子体粒子流质量分布为非弹性和非均匀性的两种情况下,用分子动力学方法模拟了基于分形理论的粒子流碰撞效应对等离子体速度与空间数密度分布的影响.计算结果表明:在粒子质量为分形和均值分布情况下,系统的速度分布和空间数密度分布由于能量耗散均偏离了初始分布,在质量为分形分布情况下,这种偏离更加明显;粒子分布呈现中间密、两端疏的分布特征.相应的模拟结果能与实验观测结果较好符合.     

脉冲激光诱发单粒子效应的机理

利用脉冲激光模拟单粒子效应是近年来兴起的一种新型的单粒子效应地面模拟手段, 研究了皮秒脉冲激光与半导体器件相互作用的方式以及诱发单粒子效应的机理, 并针对实验中常用的Nd:YAG和Ti:Sapphire两种激光和硅半导体器件进行了计算及比较分析, 同时根据计算结果提出了模拟实验中脉冲激光参数选择的主要依据和典型的参数范围.     

激光等离子体相互作用中产生的磁场与电子热传导

本文应用三维相对论电磁粒子模拟程序,研究超强超短脉冲激光与等离子体薄靶的相互作用中产生的磁场与电子热传导。研究结果表明,被激发的磁场使电子束在非常短的距离内沉积能量,同时对在激光有质动力推开电子时形成的电子热流产生抑制作用。对这些物理过程的细致研究对更好的理解快点火物理中自生磁场的产生,快电子输运等过程有重要意义。     

地面沉降多尺度三维可视化技术研究

整合多源数据,即实测数据、矢量数据、数值模型数据、遥感数据,在三个不同空间尺度上,即区域尺度、中尺度和微观尺度,实现地面沉降发生过程的三维可视化表达,其中微观尺度的沉降模拟是写意表达,而区域尺度和中尺度下的沉降模拟则是采用三维体视化表达方式;并针对不同空间尺度,分别给出建立相应尺度地面沉降模拟模型的方法以及数据结构．同时,以地面沉降最为严重的苏州-无锡-常州地区为例,进行多尺度地面沉降动态过程三维可视化表达应用,建立的模型能够使研究者以交互的方式在三维空间上迅速、全面地掌握地面沉降发生过程,进而为地面沉降研究提供一个全新的可视化操作平台．