Particle in cell calculation of plasma force on a small grain in a non-uniform collisional sheath
用多维粒子网格程序COPTIC计算了碰撞直流等离子体鞘层中特定电荷和高度的粒子所受的等离子体力。未扰动鞘层的背景离子速度分布函数随碰撞性而显著变化。发现颗粒力与背景电场力加上离子拖曳力的组合相当一致。然而，拖曳力必须考虑到非麦克斯韦（和空间变化）的离子分布函数，和碰撞阻力增强。它示出了如何将无量纲的结果转化为实际的平衡，包括其他力，如重力。
2013-09-02 physics.plasm-ph
On the accuracy of the binary-collision algorithm in particle-in-cell simulations of magnetically confined fusion plasmas
理想情况下，二进制碰撞算法保存动能和能量。实际上，碰撞单元的有限尺寸和粒子位置的有限差异影响守恒性质。在目前的工作中，我们数值研究如何影响这些算法的准确性时，碰撞细胞的大小是大的背景等离子体的梯度尺度长度相比，一个参数必不可少的全F融合等离子体模拟。此外，我们讨论了漂移动力学公式中的守恒量波动时，磁场和电场的影响：我们建议如何的算法的准确性可能会提高微小的修改。
2021-04-19 physics.plasm-ph
Particle-in-Cell Codes for plasma-based particle acceleration
本文讨论了粒子模拟程序的基本原理及其在等离子体加速中的主要应用。从头算全电磁相对论PIC程序提供了最可靠的描述等离子体。他们的属性被认为是详细的。作为最基本的模型，完整的PIC代码在计算上是昂贵的。基于等离子体的加速是具有非常不同尺度的多尺度问题。最小的尺度是激光或等离子体波长（从1到100微米），最大的尺度是加速距离（从几厘米到几米甚至几公里）。Lorentz-boost技术允许以使模拟复杂化并导致代码中的非物理数值不稳定性为代价来减小尺度差异。另一种可能性是使用准静态近似，其中不同的尺度被分析地分离。
2015-10-05 physics.plasm-ph
Particle-in-cell simulations of laser beat-wave magnetization of dense plasmas
具有接近环境等离子体频率的差频的两个激光器的相互作用产生可以共振地加速热电子的拍波。这些拍波可以用来驱动电子流，从而在等离子体中嵌入磁场[D. R. Welch等人，物理修订版信函109，225002（2012）]。在本文中，我们提出了二维粒子模拟的拍频波电流驱动过程中注入的激光，激光强度和等离子体密度之间的角度范围很广。我们讨论了这种技术的应用，致密等离子体的磁化，特别是由形成高β等离子体目标的问题，在一个对峙的方式磁惯性聚变的动机。利用微米级波长的激光将磁场嵌入$\sim 10^{18}$ -cm $^{-3}$ -密度等离子体的近期实验的可行性进行了评估。
2014-01-22 physics.plasm-ph
Effects of cold atmospheric plasma generated in deionized water in cell cancer therapy
冷大气等离子体（CAP）不仅直接影响细胞，而且通过等离子体预处理溶液间接影响细胞。本研究探讨了在去离子（DI）水中产生的CAP用于癌症治疗的新应用。在我们的实验中，使用氦气作为载气在DI水中产生CAP溶液。我们报告了这种血浆溶液在乳腺癌（MDA-MD-231）和胃癌（NCI-N87）细胞中的作用。结果表明，细胞凋亡率依赖于等离子体暴露时间和活性氧和氮（ROS和RNS）的水平。由去离子水处理30分钟产生的血浆溶液对细胞凋亡率具有最显著的影响。
2016-10-14 physics.med-ph physics.plasm-ph
SMILEI: a collaborative, open-source, multi-purpose particle-in-cell code for plasma simulation
SMILEI是一个协作的、开源的、面向对象的（C++）Particle-in-Cell代码。为了受益于高性能计算（HPC）的最新进展，SMILEI由物理学家和HPC专家共同开发。讨论了代码的结构、性能、并行化策略和性能。还介绍了其他模块（例如，处理电离或碰撞），基准和物理亮点。SMILEI具有多用途和不断发展的特点，如今已应用于广泛的物理研究，从相对论激光等离子体相互作用到天体物理等离子体。
2017-02-16 physics.plasm-ph
Evolution of the autoresonant plasma wave excitation in two-dimensional particle-in-cell simulations
本文通过二维粒子模拟研究双激光啁啾拍频驱动自共振等离子体波，发现二维效应引发类Weibel不稳定性和激光成丝，但自注入电子加速仍可达一维结果的70%–80%。
2024-06-10 physics.plasm-ph
Modeling of very high frequency large-electrode capacitively coupled plasmas with a fully electromagnetic particle-in-cell code
本研究利用新颖的能量和电荷守隐式全电磁粒子模拟/蒙特卡洛代码 ECCOPIC2M，数值研究了甚高频大电极容性耦合等离子体现象，验证了其在不同碰撞率和吸收功率下的准确性，并证明了粒子模拟方法在预测性建模中优于其他模型的复杂物理再现能力。
2022-12-27 physics.plasm-ph
Particle-in-cell simulations of plasma wakefield formation in microwave waveguides
本研究通过三维粒子网格模拟，探究微波脉冲在矩形等离子体波导中激发静电尾场的形成与结构，为微波驱动等离子体加速方案的可行性奠定理论基础。
2025-06-21 physics.plasm-ph
Machine learning accelerated particle-in-cell plasma simulations
粒子模拟（PIC）方法经常用于等离子体的动力学、高保真度模拟。PIC算法的隐式配方具有很强的守恒性，数值舍入误差，并且不受时间步长的限制，这使得它们成为一个有吸引力的候选人，用于模拟聚变等离子体。目前，他们仍然是昂贵的高逼真度模拟宏观等离子体。我们研究如何摊销求解器可以与PIC方法模拟等离子体。合并到摊销求解器，神经网络预测的向量空间，需要一个近似的解决方案的PIC系统。该网络仅使用流体矩和电场作为输入，其输出用于增加迭代线性求解器的向量空间。我们发现，这种方法减少了约25%，当模拟电子等离子体振荡所需的求解器迭代的平均数量。这种新的方法可以允许加速隐式PIC模拟，同时保留所有的守恒律，也可以适用于多尺度系统。
2021-10-24 physics.plasm-ph
Treatment of gastric cancer cells with non-thermal atmospheric plasma generated in water
非热大气等离子体（NTAP）作为一种新型的肿瘤治疗技术，可以应用于活体组织和细胞。尽管研究报告成功地使用NTAP直接照射癌细胞，但这种技术只能导致上3-5层细胞死亡。我们报告了在去离子水中产生的NTAP氩气溶液用于治疗人胃癌细胞（NCI-N87）。我们的研究结果表明，在30分钟的处理过程中，在去离子水中产生的等离子体在诱导培养的人胃癌细胞凋亡方面具有最强的作用。这一结果可归因于在处理期间在水中产生的活性氧物质（ROS）和活性氮物质（RNS）的存在。此外，数据显示，RNS水平升高可能在胃癌细胞凋亡率中发挥比ROS更重要的作用。
2016-09-08 physics.plasm-ph q-bio.TO
Ray-tracing laser-deposition model for plasma particle-in-cell simulation
本研究开发了可在线耦合动力学粒子胞内等离子体模拟的激光-等离子体相互作用光线追踪模型，基于逆轫致吸收并纳入斜入射、临界面反射效应，以随机动量冲击实现电子能量沉积，经解析解与二维代码验证有效。
2024-12-11 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Elimination of Numerical Cherenkov Instability in flowing-plasma Particle-In-Cell simulations by using Galilean coordinates
相对论性流动等离子体的粒子模拟（PIC）是几个物理学领域（包括例如激光尾场加速，当在洛伦兹增强框架中观察时）的关键兴趣，但由于众所周知的数值切伦科夫不稳定性（NCI），有时仍然是不可行的。在这篇文章中，我们表明，在一个均匀的相对论速度漂移的等离子体，NCI可以通过简单地集成PIC方程在伽利略坐标系下，遵循等离子体（有时也被称为共动坐标）的光谱分析框架内消除。消除NCI的经验验证和确认的不稳定性的理论分析。此外，它表明，这种方法是既适用于笛卡尔几何和圆柱几何与方位角傅立叶分解。
2016-07-31 physics.plasm-ph
Kinetic theory of particle-in-cell simulation plasma and the ensemble averaging technique
我们推导了静电等离子体物理和数值稳定的粒子模拟中的涨落动力学理论。出发点是在模拟开始时等离子体粒子相空间中的宏观粒子中心的加权密度的统计涨落之间的单次相关性。单时间的相关性在所有的时间步长，并在每个空间网格单元，然后确定从拉普拉斯-傅立叶变换的离散Klimontovich方程的宏观粒子和麦克斯韦方程的场计算由现代PIC代码。我们恢复表达式的静电场和等离子体粒子密度波动自相关谱以及动力学方程描述PIC模拟的等离子体粒子的平均演化，首先由兰登在1970年，使用宏粒子测试方法扰动离散的伏拉索夫等离子体，然后平均所获得的物理量在初始宏粒子速度分布。我们推广和扩展这些结果的现代算法在PIC码和使用任意的宏粒子权重。统计波动单次相关振幅的分析估计推导出作为等离子体模拟参数的函数，使用中心极限定理在每个细胞的大量的宏粒子的限制。然后，该理论被用来分析PIC模拟的合奏平均技术，其中统计平均进行PIC模拟合奏，建模相同的等离子体物理问题，但使用不同的统计实现的初始分布函数的宏观粒子。
2022-08-12 physics.plasm-ph
Targeting Cholangiocarcinoma Cells By Cold Piezoelectric Plasmas: In Vitro Efficacy And Cellular Mechanisms
本研究探究冷压电压等离子体（CPP）的两种放电模式对胆管癌的体外疗效，发现其通过引发细胞骨架重塑、激活DNA损伤通路诱导癌细胞死亡，是有潜力的抗肿瘤疗法。
2024-12-12 physics.plasm-ph
The derivation of Particle Monte Carlo methods for plasma modeling from transport equations
本文详细分析了等离子体模拟的粒子和蒙特卡罗方法，如Particle in Cell（PIC）、Monte Carlo（MC）和Particle in Cell / Monte Carlo（PIC/MC）等从输运方程的形式化操作中的推导过程。
2008-05-20 physics.plasm-ph
Implicit and electrostatic Particle-in-cell/Monte Carlo model in two dimensional and axisymmetric geometry II: Self-bias voltage effects in capacitively coupled plasmas
本文采用隐式Particle-in-cell/MonteCarlo模型，研究了二维轴对称空间中的电容耦合等离子体。自偏置直流电压的影响被认为是自洽的。由于有限长度效应，自偏置直流电压与电极面积成正比关系。二维动力学效应也照亮。与流体模型相比，PIC/MC模型不涉及数值扩散，因而能更好地模拟等离子体的特性。
2010-01-18 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Temperature measurement of a dust particle in a RF plasma GEC reference cell
悬浮在等离子体室中的尘埃粒子的热运动在许多方面类似于布朗运动所描述的热运动。等离子体系统中的尘埃粒子与自由布朗粒子之间的主要区别在于，除了尘埃粒子与中性气体原子之间的随机碰撞之外，还有电场波动、尘埃电荷波动以及源自等离子体系统本身内部的不需要的连续信号的相关运动。这最后一个贡献不包括随机运动，因此与正常温度测量中的随机运动是可分离的。本文讨论了如何利用均方位移技术分析实验测得的尘埃粒子起伏数据，分离出气体电子会议射频参考室玻璃箱中尘埃粒子的随机和相干运动。
2016-07-14 physics.plasm-ph
Laser-Driven, Ion-Scale Magnetospheres in Laboratory Plasmas. II. Particle-in-cell Simulations
离子尺度的磁层已经在彗星、弱磁化的小行星和月球上的局部区域被观测到，并为研究动力学尺度的等离子体物理提供了独特的环境，特别是在无碰撞的情况下。在这项工作中，我们提出了粒子在细胞模拟，复制最近的实验在加州大学洛杉矶分校的大型等离子体设备的结果。使用高重复率激光，离子尺度的磁层被创建，以驱动等离子体流进入嵌入在均匀背景磁场中的偶极磁场。模拟发展的理想化的2D配置的实验，研究高分辨率，体积数据集，并确定磁层结构，磁层顶的位置和动力学尺度结构的等离子体电流分布。我们显示的磁腔和磁压缩的磁层区域的形成，和两个主要的电流结构在磁障碍的昼侧：抗磁电流，支持的驱动器等离子体流，和电流相关的磁层顶，支持的背景和驱动器等离子体与一些时间依赖性。从多个参数扫描，我们显示了磁压缩的反射，由驱动器等离子体的长度为界，和较低的偶极磁矩的主要电流结构的较高的分离。
2022-01-07 physics.plasm-ph
Cold Gas Plasma Sources and the Science behind their Applications in Biology and Medicine
对在大气压和室温下产生的等离子体（低温等离子体或仅仅是冷等离子体）与生物细胞和组织的相互作用的研究表明，冷等离子体具有形成新医学疗法的基础的治疗效果。冷等离子体具有杀菌特性，并且在低剂量下可以调节细胞功能，包括增殖、附着和迁移。过去二十年的研究表明，冷等离子体可用于伤口愈合，并可以选择性地杀死癌细胞。本文介绍了冷等离子体的生物医学应用背后的基础科学。
2021-06-01 physics.med-ph physics.plasm-ph
Particle-In-Cell observations of Brillouin scattering for laser interacting with magnetized overdense plasma
利用一维粒子模拟软件OSIRIS-4.0研究了激光电磁脉冲与过密磁化等离子体靶的相互作用。外部磁场被选择为沿着激光传播方向定向。这种几何形状支持右（R）和左（L）圆极化电磁波在等离子体中的传播。当激光脉冲的频率落在L波和/或R波的色散曲线的通带内时，允许激光脉冲在等离子体内部传播。选择所施加的外部磁场的强度作为参数，以确保激光频率位于适当的通带内。结果表明，对于入射激光的所有可能的偏振态，都发生了包括散射电磁波和静电模的参量过程。参量过程被认为是由于布里渊后向散射过程。
2022-03-23 physics.plasm-ph
Plasma-Treated Polymeric Biomaterials for Improved Surface and Cell Adhesion
本文综述了低温等离子体处理聚合物生物材料表面的物理化学机制及其对细胞粘附的增强作用，强调了该技术在组织工程和再生医学中的应用前景。
2025-04-04 cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph physics.plasm-ph
The Plasma Simulation Code: A modern particle-in-cell code with load-balancing and GPU support
在多核革命和加速器（如IBM Cell处理器、图形处理单元（GPU）和英特尔的多集成核心（MIC）技术）的推动下，超级计算能力的最近增长使等离子体的动力学模拟达到了前所未有的分辨率，但不断变化的HPC架构也带来了编写高效数字代码的挑战。本文介绍了等离子体模拟代码（PSC），一个明确的，电磁粒子在细胞的代码与支持不同的顺序粒子形状功能。我们专注于代码的两个显着特征：使用空间填充曲线的基于补丁的负载平衡，以及对Nvidia GPU的支持，与仅CPU实现相比，Nvidia GPU在Cray XK7架构上实现了高达6倍以上的速度提升。
2015-11-12 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Laser pulse propagation in a meter scale rubidium vapor/plasma cell in AWAKE experiment
我们提出了一个一维模型和一个二维的代码，已修改为我们的特殊情况下，在线性色散制度的激光脉冲在3.5厘米的Rb蒸汽细胞中传播的数值研究结果。2D模拟的最终目的是找到合适的激光束参数，使Rb蒸汽完全电离，以获得均匀的，10米长，半径至少为1毫米的等离子体在下一步的AWAKE实验。
2015-12-16 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Energy conserving particle-in-cell methods for relativistic Vlasov--Maxwell equations of laser-plasma interaction
本文对一类约化的相对论性Vlasov-Maxwell方程组的激光-等离子体相互作用问题构造了能量守恒的粒子格方法。数值解也满足离散泊松方程。其中，分布函数采用质点网格法离散，电磁场的离散采用外微积分有限元框架下的相容有限元法，时间离散采用离散梯度法结合泊松分裂。参数不稳定性的数值实验验证了所构造的数值方法的守恒性和良好的长时间行为。
2022-03-12 cs.NA math.NA physics.plasm-ph
CPIC: a Curvilinear Particle-In-Cell code for plasma-material interaction studies
我们描述了一个新的静电粒子在细胞（PIC）的代码在曲线几何形状称为Currency PIC（CPIC）。该代码模拟了等离子体的微观（动力学）演化与PIC方法，再加上一个自适应的计算网格，可以符合任意形状的域。CPIC特别适用于与复杂物体与等离子体相互作用相关的多尺度问题。在物理空间和逻辑空间之间引入映射，其中网格是均匀的和笛卡尔的。在CPIC中，大多数操作都在逻辑空间中执行。CPIC的设计遵循通用性、鲁棒性和性能的标准。它的主要特点是使用结构化网格，一个可扩展的场求解器的基础上的黑盒多重网格算法和混合移动，其中粒子的位置是在逻辑空间，而速度是在物理空间。涉及等离子体与材料边界的相互作用的测试实例。
2013-11-10 physics.plasm-ph
Laser-plasma interactions with a Fourier-Bessel Particle-in-Cell method
提出并讨论了一种新的等离子体光谱粒子模拟方法。该方案利用傅里叶-贝塞尔变换将麦克斯韦方程组变换到准圆柱谱域。在该域中，方程在时间上解析求解，并且空间导数以高精度近似。与PIC中常用的时域有限差分（FDTD）方法相比，所开发的方法不会产生数值色散，并且不涉及电场和磁场的网格交错。这些特征在模拟等离子体中粒子的尾场加速时特别有价值。该算法在PLARES-PIC程序中实现，并与准圆柱形FDTD PIC程序CALDER-CIRC进行了激光等离子体相互作用的测试模拟比较。
2015-12-31 physics.comp-ph physics.plasm-ph
The effect of particle gas composition and boundary conditions on triboplasma generation: a computational study using the particle-in-cell method
本文采用二维粒子模拟方法，模拟了等离子体气化过程中C12和C60分子碰撞电离产生自由电荷的过程。我们的主要发现是：（i）在具有光滑壁的均匀等离子体中，碰撞电离产生自由电子的两个最佳值（即，最有效的放电条件产生）是$10:90$和$80:20$的$C60:C12$部分，（ii）在具有粗糙壁的等离子体中，由边界处的梳状电场建模，切向电场的情况在C12+和C60+物质中产生显著的电荷局部化，再次为摩擦电产生的等离子体产生最有利的放电条件。参考最近的摩擦电等离子体实验的数值模拟结果进行了讨论，并证实了合适的分析模型。
2020-05-26 physics.plasm-ph
Modeling of convective cells, turbulence, and transport induced by a radio-frequency antenna in the tokamak boundary plasma
本研究用Hermes模型模拟托卡马克边界等离子体中射频天线鞘层偏置，揭示其对对流胞形成、密度剖面平坦化及湍流输运的影响，并推断杂质离子呈玻姆型扩散。
2025-09-09 physics.plasm-ph
Particle integrator for particle-in-cell simulations of ultra-high intensity laser-plasma interactions
粒子模拟程序是研究超强激光与等离子体相互作用动力学的最常用的模拟工具。使用平面电磁波中的单个电子的运动作为基准问题，我们显示出令人惊讶的恶化的PIC算法的数值精度与典型的时间步长和网格大小的归一化波振幅的增加。两个显着的误差源被确定：强加速度附近的停止点和时间字段插值。我们提出了自适应电子子循环耦合的磁场和电场的三阶时间内插作为一种有效的补救措施，大大提高了粒子积分器的精度。
2021-02-22 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Particle-In-Cell simulations of the filamentation process in magnetized radio-frequency plasmas
本文通过二维粒子模拟研究磁化射频等离子体中丝状结构的形成与演化，揭示其经历双阶段动力学过程，并阐明磁力与电力分别驱动电子和离子聚集以塑造丝状结构的机制。
2025-03-31 physics.plasm-ph
Analysis and Particle-in-Cell Simulation of Gridded ICRH Plasma Thruster
大有效载荷的深空任务是不切实际的，目前使用的火箭推进技术。化学推进器产生高推力但效率低，而离子推进器是有效的，但对于大型卫星和载人航天器提供的推力太小。等离子体推进是一种可行的替代方案，其推力高于电离子推进器，比冲远远超过化学火箭发动机。在本文中，混合推力器的探索，提供了高质量流率的等离子体推力器，同时最大限度地提高比冲。该系统的两个主要过程是等离子体的离子回旋共振加热和随后的静电加速离子与网格电极。通过对这两种组分的粒子模拟，比较了氙气、氩气和氦气的排气速度。已经发现，虽然系统的组合导致更大的排气速度，但加速度主要来自网格电极，因此氙是最合适的推进剂，其比冲高达4200 s。核聚变和裂变技术的进步将促进高功率等离子体推进器的部署，使航天器能够在太阳系中更快更远地飞行。
2022-11-17 physics.plasm-ph
Direct Implicit and Explicit Energy-Conserving Particle-in-Cell Methods for Modeling of Capacitively-Coupled Plasma Devices
针对标准粒子网格方法在大规模等离子体器件建模中的高计算成本问题，本文研究了直接隐式和显式能量守恒算法，在二维电容耦合放电模拟中实现大于德拜长度的网格和更大时间步长，以降低运行时间并保持结果准确性。
2023-08-31 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Three-dimensional particle-in-cell modeling of parametric instabilities near the quarter-critical density in plasmas
采用三维粒子模拟方法研究了激光与等离子体相互作用的非线性机制，包括双等离子体衰变（TPD）和受激喇曼散射（SRS）不稳定性，数值模拟参数与惯性约束聚变（ICF）实验参数有关。在等离子体中，SRS和TPD在同一区域发展，只有包含SRS和TPD的完整模型才能准确描述快电子的产生。在线性阶段的不稳定性的增长被认为是在良好的协议与分析理论。在饱和阶段，受激喇曼散射子波驱动的低频密度扰动增强，使TPD饱和，从而抑制了快电子的产生。在3-D建模的快电子通量是一个数量级小于以前报道的2-D TPD模拟，使其接近ICF实验的结果。
2019-04-15 physics.plasm-ph
Accuracy of the Explicit Energy-Conserving Particle-in-Cell Method for Under-resolved Simulations of Capacitively Coupled Plasma Discharges
本文验证显式能量守恒PIC算法在欠分辨电容耦合等离子体模拟中的精度，通过非均匀网格减少9.4倍单元，降低计算成本。
2023-08-30 physics.plasm-ph
Dynamics of a high-density plasma in a magnetic field
本文研究了在磁场中真空电弧阴极斑的爆炸发射单元产生的等离子体的动力学。结果表明，（高密度）等离子体在横向磁场中的膨胀可能导致阴极斑点边界处等离子体密度分布的不对称性。这种不对称性反过来又增加了在BxI的“反安培”方向上的较强磁场区域中点燃新的爆炸发射单元的概率。给出了在MHD近似下扰动等离子体密度分布的估计。此外，在较强的磁场区域中的“逆行”点运动（新的爆炸发射细胞的点火）的速度估计作为外部磁场强度的函数。速度估计（几到几十米/（秒T））与实验数据一致
2018-11-20 physics.plasm-ph
Plasma density profile reconstruction of a gas cell for Ionization Induced Laser Wakefield Acceleration
本研究针对激光尾场加速的等离子体密度控制问题，设计可变长度与背压的气体盒，利用多TW激光实验，通过电离辅助注入调节电子束，并使用横向探针结合阴影与干涉成像重建并分析了等离子体密度分布。
2023-05-08 physics.acc-ph physics.plasm-ph
AWECS: A Linear Gyrokinetic Delta-f Particle-in-Cell Simulation Code for the Study of Alfvenic Instabilities in High-Beta Tokamak Plasmas
开发了一个一维线性回旋动力学程序AWECS，用于研究高β托卡马克等离子体中Alfvenic不稳定性的动力学激发，β为热压力与磁压力之比。它旨在描述与广泛的频率和波长相关的物理学。例如，AWECS能够模拟动力学气球模式，阿尔芬离子温度梯度驱动模式，以及由于高能粒子的阿尔芬不稳定性。此外，AWECS可用于研究低β区的漂移-阿尔芬不稳定性。在这里，代码的布局和所使用的数值方法进行了说明。AWECS是基准对其他代码和收敛性研究进行。
2008-06-27 physics.plasm-ph
Laser power transmission in space: Plasma-based power cell
George Washington University（乔治华盛顿大学）
研究针对太空激光功率传输中半导体光伏接收器的问题，提出气相等离子体功率电池，利用氙光电离和磁偏压电荷分离，经粒子模拟，在特定条件下转换效率达82.25%，确定相关控制因素，是空间激光功率传输概念验证的气相接收器架构。
2026-07-29 physics.plasm-ph
Two dimensional modelling of the interaction between electromagnetic waves and plasma-metamaterial composite structures using the particle-in-cell method
本研究将电磁波在过密等离子体-超材料复合材料中传播的一维研究扩展至两维，通过PIC数值模拟发现该复合结构能有效阻挡电磁波形成驻波，为热沉积、微加工及隐身衣等应用提供基础。
2025-06-10 physics.plasm-ph
Low RF power plasma ignition and detection for in-situ cleaning of 1.3 GHz 9-cell cavities
从垂直测试到加速器运行，超导射频（SRF）腔体的性能保持至关重要。场致发射（FE）仍然是要克服的性能限制因素之一，并且等离子体清洁已被证明是成功的，通过溅射中子源（SNS），在清洁场致发射体和增加Nb的功函数。费米国家加速器实验室（FNAL），SLAC国家加速器实验室和橡树岭国家实验室（ORNL）之间建立了合作关系，目的是将等离子体处理应用于直线加速器相干光源-II（LCLS-II）腔，以最大限度地减少和克服场发射，而不影响氮掺杂腔的高Q值。LCLS-II的清洁将遵循SNS采用的相同等离子体成分，这允许对安装在低温模块中的腔体进行碳氢化合物污染物的原位处理。FNAL开发了一种新的等离子体点火方法：利用高阶模点燃等离子体辉光放电，以克服基波功率耦合器的限制，从而实现对低温制冷机腔体的原位清洗。等离子体可以很容易地点燃和调谐在每个腔室使用低RF功率。还开发了一种用于等离子体检测的方法，该方法允许检测腔体中的等离子体位置，而不需要在腔体两端处的相机。所提出的方法可以应用于其他多单元腔的设计，甚至在室温下的基模耦合是非常弱的加速器。
2019-02-08 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Numerical study on wave attenuation via 2D fully kinetic electromagnetic particle-in-cell simulations
本文通过二维全动能电磁PIC模拟研究荧光灯等离子体管对电磁波的衰减，发现交错排列结构优于平行排列，与实验一致。
2025-02-11 physics.plasm-ph
Effect of finite beam width on current separation in beam plasma system: Particle-in-Cell simulations
电子束在等离子体介质中的传输易受几种不稳定性的影响。在相对论区域，导致电流分离的魏贝尔不稳定性占主导地位。对梁的横向长度为无限大的系统进行了线性失稳分析。即使在模拟中，梁的横向范围也是无限的。然而，在实际情况下，波束宽度总是有限的。考虑到这一点，本文采用粒子模拟方法研究了有限束宽对束流等离子体系统演化的影响。观察到有限束流的正向和返回屏蔽电流之间的电流分离发生在束宽本身的标度长度处。因此，所形成的磁场结构在射束宽度的标度长度处具有最大功率。这种行为与具有由周期性盒中的模拟表示的无限范围的射束所发生的情况不同，其中出现磁场的初始尺度长度是电子趋肤深度。
2015-09-10 physics.plasm-ph
Numerics and computation in gyrokinetic simulations of electromagnetic turbulence with global particle-in-cell codes
本文用全球回旋动力学粒子格子程序ORB 5研究了托卡马克和仿星器等离子体中的电磁湍流。Lanti等人，Comp. Phys. Comm，第251卷，107072（2020）]和EUTERPE [V. Kornilov等人，Phys. Plasmas，第11卷，3196（2004）]。大纵横比托卡马克，缩小规模的ITER，和Wendelstein 7-X几何被认为是。主要目标是增加等离子体β，机器尺寸，离子与电子质量比，以及在这样的模拟中包括逼真的几何特征。研究了在部署大规模GPU的计算机系统上的相关数值要求和计算成本。这些都是必要的步骤，使电磁湍流模拟在未来的反应堆等离子体。
2021-05-04 physics.plasm-ph
Electromagnetic total-f algorithm for gyrokinetic particle-in-cell simulations of boundary plasma in XGC
本研究将XGC中原用于核心等离子体的简化delta-f混合变量/回拉电磁算法推广为可纳入边界等离子体的total-f电磁算法，通过类DIII-D的H模模拟验证其对提升电子输运模拟保真度的必要性。
2022-04-26 physics.plasm-ph
Comment on "Impact of particle number and cell-size in fully implicit charge- and energy-conserving particle-in-cell schemes" by N. Savard et al., Phys. Plasmas 32, 073903 (2025)
Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）
作者对Savard等人关于隐式粒子-网格方案中粒子数和单元大小影响的结论提出异议，指出其结论存在诊断程序问题，修正后研究结果发生显著变化。
2026-03-02 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Reduced Plasma Frequency Calculation Based on Particle-In-Cell Simulations
我们提出了一个方案来计算的圆柱形电子束流的圆柱形隧道内的约化等离子体频率，从粒子在细胞（PIC）模拟得到的结果的基础上。在PIC模拟中，我们使用两个平行的，非拦截的，紧密间隔的网格，通过一个单音正弦电压源电连接在一起，调制电子束。在系统稳定工作后，对电子能量和束流沿隧道长度的分布进行了监测。我们建立了一个系统矩阵描述梁的动态，估计通过拟合一个2x2矩阵，最符合一阶微分方程，管理基于物理的系统。结果进行了比较，与理论的分支和Miracle模型，这是通常用于计算等离子体频率降低因子在这样的系统。我们的方法显示出良好的协议与理论模型，然而，它也是一般的。我们的方法可以潜在地用于确定在不同形状的束隧道中传播的电子束的降低的等离子体频率，其中还不存在理论模型，例如圆柱形或椭圆形电子束在圆柱形、正方形或椭圆形横截面的金属束隧道内传播的情况。它也可以应用于由多束流组成的电子束。
2022-05-11 physics.plasm-ph
Generation of controllable plasma wakefield noise in particle-in-cell simulations
束-等离子体不稳定性的数值模拟可能会产生定量上不正确的结果，因为不切实际的高初始噪声的不稳定性的发展。特别重要的是尾场噪声，即具有与束速度相等的相速度的潜在扰动。控制模拟中的噪声水平可以提供将模拟结果外推到更现实的低噪声情况的可能性。本文提出了一种新的方法，通过在束流前方随机放置带电棒来产生振幅可控的尾场噪声。我们还说明了粒子在细胞模拟的方法。这种噪声的产生并不伴随着寄生的切伦科夫辐射波。
2017-06-02 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Particle-in-cell modeling of electron beam generated plasma
本文构建2d3v PIC模型，模拟磁场约束下氩气中电子束产生等离子体，揭示非双极扩散、各向异性电子温度及磁场和压力对输运与约束的影响。
2023-02-27 physics.plasm-ph
Particle-in-cell studies of fast-ion slowing-down rates in cool tenuous magnetized plasma
我们报告在冷，弱磁化，弱耦合等离子体的电子回旋半径，$ρ_{e}$，是可比或小于德拜长度，$λ_{De}$，和快离子速度超过电子热速度，在该制度中，电子响应可能会受到阻碍的快离子能量损失率的3D-3V粒子在细胞中的模拟。这些模拟使用显式算法，空间上解决$ρ_{e}$和$λ_{De}$，并在时间上解决电子回旋和等离子体频率。对于具有各向同性速度分布的单能稀快离子，这些慢化时间、$τ_{s}$、\versus快离子电荷的标度研究与非磁化慢化理论一致;在外加磁场下，$τ_{s}$之间在交叉场和平行场方向上没有一致的各向异性。缩放的快离子电荷被确认为一种可行的方式，以减少所需的计算时间为每个模拟。这些慢下来的过程的影响描述的一个磁约束聚变的概念，小，先进的燃料，场反转配置设备。
2018-03-13 physics.plasm-ph
Synthesis of Membrane-Electrode Assembly for Fuel Cells by Means of (Sub)-Atmospheric Plasma Processes
报道了一种简单的两步常压等离子体法制备质子交换膜燃料电池膜电极的方法。首先，通过在RF大气等离子体炬的后放电中喷涂Pt胶体溶液将催化剂纳米颗粒接枝到碳基底上。在第二步中，在DBD的放电中用等离子体合成的聚合物膜覆盖所得到的修饰电极。磺化聚苯乙烯膜的合成通过同时注入苯乙烯和三氟甲磺酸单体，在载气（Ar或He）的存在下。通过XPS、ToF-SIMS和FTIR（IRRAS）对膜进行化学表征，并通过SEM研究其沉积速率。
2018-02-06 physics.app-ph physics.plasm-ph
Electron-Acoustic Solitary Waves in Fermi Plasma With Two-Temperature Electrons
双温电子费米等离子体中的电子声波在空间和实验室等离子体中有着广泛的应用。在一些致密的等离子体系统中，如致密恒星内部，费米等离子体很重要。我们研究了费米等离子体系统的三个组成部分，两个温度的电子，和离子。热电子是可移动的并且对系统产生回复力，而冷电子是不移动的并且对系统产生惯性。本文研究了双温电子费米等离子体中电子声波的色散行为，并研究了它与等离子体参数的关系。本文研究了双温电子费米等离子体孤波分布的KdV-B方程，并研究了它与等离子体参数的关系。
2020-08-29 physics.plasm-ph
Particle-in-Cell Laser-Plasma Simulation on Xeon Phi Coprocessors
本文介绍了一个高性能的实现粒子网格法的等离子体模拟英特尔至强融核协处理器的发展。我们讨论了该方法的至强融核架构的适用性，并提出了我们的经验，移植和优化现有的并行粒子在细胞代码PICADOR。无需修改代码的直接移植在Xeon Phi上提供了接近8核CPU的性能，每个单元50个粒子的基准问题。我们演示了优化技术的逐步应用，例如提高数据局部性，提高并行化效率和向量化，从而在CPU上实现3.75倍的加速，在Xeon Phi上实现7.5倍的加速。优化版本在英特尔至强E5-2660 CPU上实现了每粒子18.8 ns更新，在英特尔至强融核5110 P上实现了每粒子9.3 ns更新。在具有表面光栅的目标中的激光离子加速的实际问题上，每个单元需要大量的宏观粒子，与CPU相比，Xeon Phi的加速比为1.6倍。
2015-05-27 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Accelerating Particle-in-Cell Kinetic Plasma Simulations via Reduced-Order Modeling of Space-Charge Dynamics using Dynamic Mode Decomposition
本文提出基于DMD的EMPIC空间电荷动力学降阶模型，用低维特征空间预测电流密度演化，并在电子束、虚阴极及返波振荡器算例中验证加速效果。
2024-05-02 physics.comp-ph physics.plasm-ph
