Particle-in-cell simulation of Buneman instability beyond quasilinear saturation
布尼曼不稳定性的时空演变一直遵循数值，直到其准线性淬火和超越，使用内部开发的静电一维粒子模拟代码。对于不同的初始漂移速度$k_{L}v_{0}/ω_{pe} \approx 0.1 \, - \, 1$和较宽的电子与离子质量比（m/M）范围，由模拟得到的生长速率与四阶色散关系的数值解吻合得很好.当静电场能量密度（$\sum\limits_{k} |E_{k}|^{2}/8π$）与初始电子漂移动能密度（$W_{0} = \frac{1}{2} n_{0}m v^{2}_{0}$）之比达到恒定值时，布尼曼不稳定性出现准线性饱和，正如Hirose [等离子体物理20，481（1978）]所预测的，该值与初始电子漂移速度无关，但取决于电子与离子的质量比m/M，如$\sum\limits_{k} |E_{k}|^{2}/16πW_{0} \approx (m/M)^{1/3}$。这一结果在我们的模拟中得到了验证。增长的不稳定性超过第一饱和（准线性饱和），直到其最终饱和[石原等。例如，PRL 44，1404（1980）]遵循随时间的代数标度。与准线性饱和相反，最终饱和的静电场能量密度与初始动能能量密度的比率相对独立于电子与离子的质量比，并且被发现仅取决于初始漂移速度。超过最终饱和，电子相空间空穴耦合到大振幅的离子孤立波，一种状态被称为耦合空穴孤子，在我们的模拟中看到。这些相干模的传播特性（振幅…
2017-09-21 physics.plasm-ph
Buneman instability in a magnetized current-carrying plasma with velocity shear
在磁重联中，常常会产生布尼曼不稳定性。了解束流中驱动布尼曼不稳定性的速度剪切如何影响波的增长和饱和，与磁重联中的湍流、加热和扩散有关。利用弱余弦速度剪切的Mathieu方程分析和Vlasov模拟，研究了由强磁化电子和冷非磁化离子组成的等离子体中剪切对动力学Buneman不稳定性的影响.在线性不稳定阶段，剪切增强了斜波和剪切电子束之间的耦合，导致更广泛的不稳定本征模与共同的较低的增长率。波耦合产生了空间电场的新特征，当电子空穴形成时，这些新特征可以持续到非线性阶段。较低的混合不稳定性同时发生在$k_{\shortparallel}/k_{\perp} \sim \sqrt{m_e/m_i}$与一个低得多的增长率，并不受速度剪切。
2011-05-02 astro-ph.SR nlin.PS physics.plasm-ph
Backward waves in the nonlinear regime of the Buneman instability
本文报道了在非线性布尼曼不稳定性区中低频和高频返波的观测结果。发现了与离子和电子的电子漂移（相对于离子布居数）方向相反的强烈低频后向波，并根据电子速度分布函数稳定性的线性理论解释了这些波的激发。在非线性区域，电子分布呈现出由电子空穴俘获形成的宽平台，并延伸到负速度区域。结果表明，在线性方法中，后向波对应于弱不稳定或边缘稳定的模式所产生的大量负速度的粒子。
2021-12-23 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Reduced nonlinear description of Farley-Buneman instability
在电离层和磁层中的非线性波-波过程的研究中，当等离子体波具有较宽的频谱时，通常主要关注的是等离子体发展阶段的湍流。另一方面，众所周知，即使合作波的数量由于其不稳定性和衰减过程的竞争而保持较小，湍流也会出现在其随机行为的结果中。本文研究了在弱电离和非均匀电离层等离子体中，当存在垂直于环境磁场的电流时，Farley-Buneman不稳定性激发的低频波的非线性动力学。这个问题基本上是三维的，很难进行完整的数值模拟，但波的强碰撞阻尼允许假设，在这种情况下，扰动状态的等离子体可以被描述为有限的一组相互作用的波，其中一些是不稳定的和其他强阻尼。提出的非线性模型允许充分研究非线性稳定性，随机性条件，并考虑不同的制度和性质的少模等离子体湍流。
2008-12-11 physics.plasm-ph physics.space-ph
Low-rank approximation in the numerical modeling of the Farley-Buneman instability in ionospheric plasma
Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften（德国马克斯·普朗克自然科学数学研究所）；Institute of Numerical Mathematics of Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院计算数学研究所）；Lomonosov Moscow State University（莫斯科国立罗蒙诺索夫大学）；Moscow Institute of Physics and Technology（莫斯科物理技术学院）；University of Podlasie（波德拉谢大学）
本文基于低秩近似方法，采用张量列车格式对电离层等离子体Farley-Buneman不稳定性进行数值建模，有效降低了计算复杂度和内存消耗。
2013-08-27 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Impact of the electron to ion mass ratio on unstable systems in particle-in-cell simulations
本文研究了冷稀释温和相对论电子束驱动的布尼曼不稳定性和双流不稳定性随离子\s荷质比的变化.如果使用质子的荷质比，则两种不稳定性的增长率对于所选参数是相当的，并且布尼曼不稳定性超过双流不稳定性的增长率对于更大的比率。粒子在细胞（PIC）模拟表明，这两个不稳定性增长独立在其线性增长阶段。布尼曼不稳定性的低得多的饱和振幅意味着它饱和的第一，即使两个不稳定性的线性增长率是相等的。它驱动的电子相空间空穴聚结。它们的空间尺寸随着时间的推移而增加，并且它们开始与双流模式相互作用，这触发了静电湍流的发生。一个减少的荷质比的结果在更强的湍流和离子加热和相对论性电子束的能量损失增加相比，在一个正确的比例的模拟。
2018-06-12 physics.plasm-ph
The Adiabatic Phase Mixing and Heating of Electrons in Buneman Turbulence
用$Ω_e/ω_{pe} <1$研究了薄电流层中强Buneman不稳定性的非线性发展和与之相关的快电子加热。在不稳定性的饱和过程中，观察到波势槽中电子的相位混合和温度的快速升高。我们发现，被困电子的运动可以用哈密顿形式主义的绝热近似描述。当电子被捕获和释放时，分界线交叉的过程是不可逆的，并且保证所产生的电子能量增益是真正的加热过程。
2013-02-13 astro-ph.HE nlin.AO nlin.PS
The role of noise in PIC and Vlasov simulations of the Buneman instability
研究了粒子池（PIC）中噪声的影响以及非磁化等离子体中布尼曼不稳定性的Vlasov模拟。结果发现，在政权的低漂移速度，在PIC模拟的不稳定性的线性阶段显着不同的理论预测，而在Vlasov模拟它没有。一系列的高分辨率PIC模拟越来越大的数量的宏粒子每个细胞进行使用一些不同的PIC代码。所有的模拟预测高度相似的增长率是几倍以上的线性理论计算。因此，我们发现，真正的收敛的PIC模拟在线性政权是难以捉摸的，在实践中实现，很容易被错误识别。理论和观察到的增长率之间的差异归因于PIC模拟中固有的初始噪声，而不是在Vlasov模拟中，这导致粒子捕获，即使被捕获粒子的分数很低。我们分析表明，即使是微弱的扭曲的电子速度分布函数（如扁平化由于粒子捕获）的结果在显着修改的增长率。它也被发现，共同的安静启动方法PIC模拟导致更准确的增长率，但只有当最大增长率模式最初被扰动。我们证明了安静启动方法并不能完全解决噪声问题，因为模拟通常表现出与线性理论不一致。
2021-12-23 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Electron acceleration in a nonrelativistic shock with very high Alfvén Mach number
利用二维全动力学PIC模拟方法，研究了非相对论性、超高Alfvén马赫数（$M_A \sim 45$）激波中电子加速与等离子体动力学不稳定性的关系.电磁（离子韦伯）和静电（离子声学和布尼曼）不稳定性强烈激活在同一时间在不同区域的二维激波结构。相对论电子主要是由激波冲浪机制与布尼曼不稳定性在前沿的脚迅速产生。能谱具有超过伴随主要热布居的上游离子动能的高能量尾部。这为激波前沿的离子声不稳定性提供了有利条件，而这反过来又导致了额外的振荡。大振幅离子韦伯不稳定性产生电流片的脚，这意味着另一种耗散机制，通过磁重联在三维激波结构中的非常高的$M_A$制度。
2013-10-31 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Weibel, Two-Stream, Filamentation, Oblique, Bell, Buneman... which one grows faster ?
许多相互竞争的线性不稳定性很可能发生在天体物理环境中，重要的是要评估哪一个在给定的情况下增长得更快。建立了一个包含主束等离子体不稳定性的解析模型。完整的三维介电张量，从而解释了冷相对论电子束通过冷等离子体，占引导磁场，返回电子电流和移动质子。考虑任何方向的波矢量允许检索最不稳定的模式为任何参数集。因此，提供了一个统一的描述的丝状（韦伯），双流，布尼曼，贝尔不稳定性（和更多），允许其层次结构的系统参数的准确确定。为了与实际情况和PIC模拟相关，电子与质子的质量比被视为参数，并且用两个不同的值，即1/1836和1/100进行数值计算。在系统参数相空间中，由每种不稳定性所支配的区域的形状远非平凡。对于低密度束流，超磁化区倾向于由双流不稳定性或布尼曼不稳定性控制。对于等于等离子体密度的束流，取决于束流的洛伦兹因子，最多有四种模式可能起作用。在系统参数相空间的某些区域，主模可能随电子质子质量比而变化。应用于太阳耀斑、星系际流和相对论冲击物理学。
2009-04-29 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Nonrelativistic collisionless shocks in weakly magnetized electron--ion plasmas: two-dimensional particle-in-cell simulation of perpendicular shock
本文采用二维粒子模拟方法研究了磁化参数为6 x 10^-5的弱磁化垂直激波，该参数相当于约130的高Alfvén马赫数M_A。它表明，电流丝形成在脚区的冲击，由于离子束-韦伯不稳定性（或离子扩散不稳定性），并产生一个强大的磁场。在下游区域中，这些电流丝还产生通常比上游磁场强15倍的缠结磁场。下游区电子和离子的热能不均分，温度比T_e / T_i ~ 0.3 - 0.4。在我们的模拟中没有观察到有效的电子加速，尽管一小部分离子在冲击反射时略有加速。模拟结果与Rankine-Hugoniot关系吻合得很好。它还表明，电子和离子被加热的底部区域的布尼曼不稳定性（电子）和离子声不稳定性（电子和离子）。然而，由于反射离子的相对高的温度，布尼曼不稳定性的增长率显著降低。出于同样的原因，离子-离子流不稳定性不会在足部区域增长。
2010-08-02 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
3D PIC Study of Magnetic Field Effects on Hall Thruster Electron Drift Instability
School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学能源科学与工程学院）
通过三维粒子模拟（PIC）结合真实磁场和蒙特卡洛碰撞模型，首次系统研究了磁场空间构型和强度对霍尔推力器中电子漂移不稳定性的影响。
2025-04-19 physics.plasm-ph
Finite grid instability and spectral fidelity of the electrostatic Particle-In-Cell algorithm
通过对一维静电粒子胞内模型（PIC）中的动力学在谱域中的解析，在单粒子水平和集体运动水平上研究了有限网格不稳定性（FGI）的起源. PIC模式的光谱保真度与底层物理系统或无网格模式进行了对比。从电荷沉积和场插值的系统频谱相位和振幅误差量化的PIC模型中使用的常见的粒子形状。通过分析和模拟表明，由于混叠空间模式的存在，相对于物理系统缺乏光谱保真度是PIC模型中FGI的主要原因。
2016-04-07 physics.plasm-ph
Influence of electron-neutral elastic collisions on the instability of an ion-contaminated cylindrical electron cloud: 2D3V PIC-with-MCC simulations
本文是一个基于模拟的调查的影响，弹性碰撞和有效的弹性-研究了电子和背景中性粒子之间的激发碰撞对圆柱形捕获的电子云动力学的影响，其中电子云中还混合有离子污染物。碰撞对不稳定性的影响可以从背景中性粒子的存在引起的离子共振不稳定性的增长率和能量的改变中看出与真空背景相比。此外，为了理解非电离碰撞是否可以独立地成为电子云不稳定的原因，用纯电子等离子体进行第二组数值实验，该纯电子等离子体与不同密度的背景中性粒子进行非电离碰撞。这些实验表明，从电子云的非电离碰撞的势能提取的性质是不相似的其他不稳定过程\textit{e.g.}的势能提取的电阻壁不稳定性。能量提取过程中的这种差异使得这些非电离碰撞不能独立地触发云的不稳定性。
2016-07-17 physics.plasm-ph
3D PIC Simulations on Hall Thruster Electron Drift Instability: Influence of Magnetic Field on Electron Transport
School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学能源科学与工程学院）
本研究通过三维PIC模拟探讨霍尔推进器中磁场对电子输运的影响，揭示了电子漂移不稳定性与磁场配置的关系，并验证了有效电子迁移率与输运剖面的准确性。
2025-12-06 physics.plasm-ph
Fundamental form of the electrostatic $δf$-PIC algorithm and discovery of a converged numerical instability
$δf$粒子网格算法是研究等离子体物理，特别是在陀螺动力学背景下的湍流磁化等离子体的有用工具。由于不必解析全分布函数而导致的噪声降低表明了优于标准（“全$f$“）单元中颗粒的效率优势。尽管取得了成功，但该算法在某些情况下表现得很奇怪。在这项工作中，我们记录了一个完全解决的数值不稳定性，发生在最简单的多物种的测试情况下：静电$Ω_H$模式。还有一个不太清楚的数值不稳定性，当一个人在粒子数上分辨率不足时，可能需要大量的粒子来稳定。这两个都是独立的时间步进计划，我们的结论是，他们存在，如果时间推进是准确的。精确的解析形式的算法，并提出了几个计划，以减轻这些不稳定性。
2016-04-18 physics.plasm-ph
The effect of ion rotational flow on Hall thruster azimuthal instability via two dimensional PIC simulations
本文通过二维PIC模拟研究离子旋转流对霍尔推进器方位角不稳定性的影响，发现同向和反向旋转流均抑制不稳定性并降低轴向电子迁移率，且反向旋转流影响更大。
2025-04-28 physics.plasm-ph
Impact of Azimuthal Magnetic Field Inhomogeneity on Hall Thruster high-frequency azimuthal instability via 2D radial-azimuthal PIC simulations
School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学能源科学与工程学院）；College of Aerospace and Civil Engineering, Harbin Engineering University（哈尔滨工程大学航天与土木工程学院）
本研究通过二维径向-方位角PIC模拟，发现方位角磁场不均匀性通过调制漂移速度和展宽波数谱双重机制影响霍尔推力器ECDI，不均匀性达10%时饱和强度降13.4%、电子迁移率降15.7%。
2025-04-18 physics.plasm-ph
Two-dimensional PIC simulation of collective Thomson scattering in a beam-plasma system
Interdisciplinary Graduate School of Engineering Sciences, Kyushu University（九州大学理工学研究科）；Faculty of Engineering Sciences, Kyushu University（九州大学工学部）；Quantum and Spacetime Research Institute (QuaSR), Kyushu University（九州大学量子时空研究所）；International Research Center for Space and Planetary Environmental Science (i-SPES), Kyushu University（九州大学国际宇宙行星环境科学研究中心）；Institute of Laser Engineering, Osaka University（大阪大学激光工程研究所）
本研究通过二维粒子模拟分析了束-等离子体系统中集体汤姆逊散射的不对称特性及不稳定性影响
2025-12-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
1D3V PIC simulation of propagation of relativistic electron beam in an inhomogeneous plasma
最近的实验观察已经显示出兆安培的电子电流通过对齐的碳纳米管阵列的有效传输[Phys.Rev Lenness. 108，235005（2012）]。随后，基于非均匀等离子体中的双折射不稳定性的抑制来解释该结果[Phys. Plasmas 21，012108（2014）]。这种不均匀性是由于碳纳米管的电离而形成的。本文对相对论电子束在非均匀背景等离子体中的传输进行了1D3V粒子模拟。抑制的平行不稳定性，负责光束发散，示出。模拟还证实，在非线性制度太的REB传播是更好的，当它传播通过等离子体的密度是不均匀的横向光束。研究了非均匀性尺度长度、幅度和横向束流温度等对激光器性能的影响，在抑制不稳定性的详细研究。
2015-05-02 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
Structure-preserving geometric particle-in-cell algorithm suppresses finite-grid instability -- Comment on "Finite grid instability and spectral fidelity of the electrostatic Particle-In-Cell algorithm'' by Huang et al
Huang等人最近的一篇论文[Computer Physics Communications 207，123（2016）]彻底分析了标准Particle-In-Cell（PIC）方法的有限网格不稳定性（FGI）和光谱保真度。数值实验验证了能量守恒和动量守恒两种PIC方法的FGI。本文还建议进行类似的数值试验，以测试新开发的结构保持几何（SPG）-PIC算法。本文给出了数值实验的结果，表明SPG-PIC算法能够有效地抑制FGI。
2019-04-01 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Prediction and Anomaly Detection of accelerated particles in PIC simulations using neural networks
本文提出利用神经网络辅助PIC模拟中单个粒子数据分析，通过分类、回归和异常检测，在252,000电子测试数据上高精度预测粒子最终能量并区分高能粒子，简化大规模模拟中的粒子分类。
2023-08-30 astro-ph.HE physics.comp-ph physics.plasm-ph
PIC Simulations of the Temperature Anisotropy-Driven Weibel Instability: Analyzing the perpendicular mode
用二维粒子模拟方法研究了单电子热各向异性驱动的不稳定性。这种不稳定性是一个考虑的韦伯和它不同的光束驱动的平行不稳定性。模拟结果与解析理论的比较提供了类似的指数增长率的磁场在线性增长阶段的不稳定性。我们观察到，按照以前的作品的增长电场在饱和阶段的不稳定性。这个电场的某些分量不能用线性化理论来解释。基于单流体的理论被用来确定这种非线性电场的来源。它表明，磁应力张量，在一维几何形状中消失，是更重要的，在这个2维模型在这里使用。电场增大到一定幅度，对电子产生的力与磁场相当。模拟平面中每个磁场分量的峰值能量密度与先前的估计一致。涡电流的发展，这使得第三磁场分量的幅度增长，这在一维模拟中没有观察到。
2010-06-15 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Simulating ultrarelativistic beam-plasma instabilities with a quasistatic particle-in-cell code
本文开发了二维准静态PIC代码QuaSSis，用于模拟超相对论束-等离子体斜双流不稳定性，通过控制宏粒子初始噪声实现精确触发，并与标准PIC及解析模型验证。
2025-06-23 physics.plasm-ph
Thermal Weibel instability induced magnetic fields co-exist with linear wakes in laser-ionized plasmas
本文通过模拟与实验证明激光电离等离子体中自调制尾波与魏贝尔不稳定性感应磁场可时空共存，并初步评估了该磁场对外部注入束横向发射度增长的影响。
2024-02-21 physics.plasm-ph
Enhancing one-dimensional particle-in-cell simulations to self-consistently resolve instability-induced electron transport in Hall thrusters
高功率霍尔推进器的出现和对它们作为各种任务的主要推进系统的使用的日益增加的兴趣，为旨在对这种推进器技术进行自洽预测建模的努力提供了新的推动力。在这篇文章中，我们提出了一种新的方法，它允许提高预测能力的一维粒子在细胞（PIC）模拟自洽捕获波诱导电子输运由于霍尔推力器的方位角不稳定性。从这种方法产生的所谓的“伪2D”PIC方案在几种操作条件下进行了广泛的测试。结果进行了比较，对一个行之有效的2D3V轴向方位角参考情况下的轴向剖面的时间平均等离子体的属性，方位角电场波动和它们的色散特性，和在电子的方位角动量方程中的力项的贡献的交叉场迁移率。我们已经证明，伪二维PIC提供了上述方面的预测，几乎在所有条件下与全二维模拟的预测非常接近。此外，与我们的方法相关联的数值参数的伪二维模拟结果的敏感性进行了详细评估。这些分析的结果为进一步改进这一方法的下一步行动提供了线索。
2022-05-17 physics.plasm-ph
Self-consistent kinetic simulations of lower hybrid drift instability resulting in electron current driven by fusion products in tokamak plasmas
我们提出的粒子在细胞（PIC）模拟氘等离子体中的少数高能质子，这表明了集体不稳定性负责发射附近的较低的混合频率及其谐波。模拟捕捉低混合漂移不稳定性的制度相关的托卡马克聚变等离子体，并进一步表明，激发的电磁场集体和无碰撞耦合自由能从质子到定向电子运动。这导致反平行于磁场的不对称尾部。我们专注于斜传播模式下的条件下近似的外中平面边缘在一个大型托卡马克，通过它有通过限制中心出生的融合产品香蕉轨道，有大的径向偏移。一个完全自洽的电磁相对论PIC代码表示所有的矢量场量和粒子速度在三维空间作为一个单一的空间维度的功能是用来模拟这种情况下，通过演变的初始反平行行进环束分布的3MeV质子在背景10keV麦克斯韦氘等离子体与现实的离子-电子质量比。因此，模拟展示了一个关键的建筑块α通道的情况下燃烧聚变等离子体托卡马克。
2010-10-11 physics.plasm-ph
Near-Wall Pathways of Anomalous Electron Transport in Hall Thrusters Revealed by 3D PIC Simulations
School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学能源学院）
通过三维PIC模拟揭示霍尔推杆中异常电子输运的近壁路径，研究其空间分布和输运机制，展示三维模拟在揭示异常输运中的独特作用。
2026-03-16 physics.plasm-ph
Effect of flow-aligned external magnetic fields on mushroom instability
Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学）；Collaborative Innovation Center of IFSA (CICIFSA), Shanghai Jiao Tong University（上海交大国际与地区研究院协同创新中心）；Tsung-Dao Lee Institute, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学汤川中心）
本研究针对磁化喷流中蘑菇不稳定性作用机制不明的问题，通过理论分析与PIC模拟探究流对齐外磁场对蘑菇不稳定性的影响，推导了广义色散关系，揭示其抑制规律与抵抗特性，验证了模拟与理论的一致性并发现相关效应。
2025-10-29 physics.plasm-ph
On the Numerical Dispersion of Electromagnetic Particle-In-Cell Code : Finite Grid Instability
粒子模拟方法（PIC）广泛应用于相对论粒子束和激光等离子体的模拟。然而，PIC方法表现出数值不稳定性，可以使非物理模拟结果，甚至破坏模拟。对于电磁相对论束流和等离子体模拟，最相关的数值不稳定性是有限网格不稳定性和数值切伦科夫不稳定性。我们回顾了电磁PIC算法的数值色散关系，分析了这些不稳定性的来源。我们严格推导了PIC算法的忠实的三维数值色散，然后专注于Yee FDTD方案。特别是，我们占PIC算法更新和采样的字段和分布函数的方式。时间和空间的相位因子求解麦克斯韦方程组的Yee网格与蛙跳计划也明确占。数值解的类静电模式的一维色散关系的冷漂移等离子体的参数的利益。在随后的分析中，我们调查如何有限网格不稳定性产生的相互作用的数值一维模式承认在系统和他们的别名。最重要的相互作用是由于关键的色散关系中的运营商的正确表示。我们得到一个简单的解析表达式的峰值增长率由于这种相互作用。
2014-07-20 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Numerical instability due to relativistic plasma drift in EM-PIC simulations
采用理论和计算机模拟相结合的方法，研究了在电磁粒子模拟中观察到的等离子体以相对论速度漂移的数值不稳定性。本文导出了以相对论速度漂移的冷等离子体的数值色散关系，发现漂移等离子体的束模与系统中的电磁模之间的耦合导致了不稳定性。通过求解相应的数值色散关系，探讨了各种模拟装置和麦克斯韦方程求解器在傅立叶空间中的不稳定性的特征模式。此外，基于这些特征模式，我们推导出的不稳定性增长率的渐近表达式。该渐近表达式大大加快了不稳定增长率的计算速度，并使最小增长率的参数扫描在全三维情况下也是可行的。将计算结果与仿真结果进行了比较，发现两者吻合较好，这些结果可以作为指导，以发展可能的途径，以减轻不稳定性。我们检查使用的光谱求解器，并表明，这样的求解器结合低通滤波器的截止值为$|\vec{k}|$基本上消除了不稳定性，同时不修改物理感兴趣的模式。频谱求解器的使用还为最低布里渊区中的电磁模式提供了最小的误差。
2012-11-29 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Particle-in-Cell simulation of two-dimensional electron velocity shear driven instability in relativistic domain
我们进行粒子在细胞（PIC）模拟研究与2-D剪切电子流配置对离子的中和背景下的不稳定性。弱和强相对论性的流速被认为是。在弱相对论的情况下，我们观察到的电磁Kelvin Helmholtz不稳定性的发展与电子磁流体动力学（EMHD）模型预测的相似的特性。另一方面，在强相对论性的情况下，电子流体的可压缩性效应占主导地位，并引入横向于流动的上混合静电振荡，这与EMHD流体行为非常不同。在非线性区，弱和强相对论性的情况下，导致湍流与广泛的幂律谱。
2016-05-30 physics.plasm-ph
A Deep Learning-Based Particle-in-Cell Method for Plasma Simulations
KTH Royal Institute of Technology（KTH皇家理工学院）
我们设计和开发了一种新的粒子单元（PIC）方法，用于使用深度学习（DL）从电子相空间计算电场的等离子体模拟。我们训练一个多层感知器（MLP）和一个卷积神经网络（CNN）来解决双流不稳定性测试。我们验证了基于DL的MLP PIC方法使用双流不稳定性产生正确的结果：基于DL的PIC提供了双流不稳定性的预期增长率。基于DL的PIC不守恒总能量和动量。然而，基于DL的PIC方法对冷束不稳定性是稳定的，影响传统的PIC方法。这项工作表明，将DL技术集成到传统的计算方法是开发下一代PIC算法的可行方法。
2021-07-05 cs.LG physics.comp-ph physics.plasm-ph
Suppressing the Numerical Cherenkov Instability in FDTD PIC Codes
University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）
本文提出一种抑制FDTD PIC模拟中冷相对论束数值切连亚效应的方法，通过计算残余增长速率并与WARP代码模拟结果对比，验证了新方法的有效性。
2014-01-04 cs.NA math.NA physics.acc-ph
On collisions driven negative energy waves and Weibel instability of a relativistic electron beam in a quasi-neutral plasma
提出了一个新的描述强流相对论束流通过电阻等离子体的韦伯不稳定性的准中性模型。它把电子束看作是运动的粒子，而周围的等离子体则看作是非相对论性的流体。对于有限温度梁，识别出一类新的负能量磁声波，它可以具有负能量。它们的增长，由于碰撞耗散在冷返回电流不稳定的束等离子体系统，即使是高的束温度。我们进行详细的二维和三维粒子在细胞（PIC）模拟的热束和碰撞等离子体。结果表明，在三维空间中，韦伯不稳定性仍然存在，即使是物理碰撞的背景等离子体。异常等离子体电阻率则是由双流不稳定性引起的。
2008-09-02 physics.plasm-ph
Instabilities of collisionless current sheets revisited: the role of anisotropic heating
在这项工作中，我们研究的各向异性加热的影响，对自发不稳定性和薄哈里斯型无碰撞电流片，嵌入在反平行磁场的演变。特别是，我们探索的影响，使用2D版本的PIC代码ACRONYM的宏粒子形状功能。我们还调查的作用，由于在PIC码的有限数量的宏粒子的数值碰撞。它示出，它是适当的，以选择高阶形状函数的宏粒子相比，每个细胞的宏粒子的数量更大。这允许更好地估计各向异性电子加热由于在PIC代码中的宏粒子的碰撞。温度各向异性可以稳定撕裂模不稳定性，并触发额外的电流片不稳定性。我们发现了一个很好的协议之间的分析推导出的各向异性撕裂模式和其他不稳定性，无论是自发发展或最初触发的稳定阈值。在电子时间尺度上引起各向异性加热的数值效应对于更高的质量比（高于$m_i/m_e = 180$）变得特别重要。如果仔细考虑数值效应，可以恢复理论估计的线性增长率的撕裂不稳定性薄各向同性碰撞电流片，也为更高的质量比。
2015-01-24 physics.plasm-ph
Dispersion and thermal effects on electromagnetic instabilities in the precursor of relativistic shocks
费米加速可以有效地发展在相对论性无碰撞冲击波提供上游（未受冲击）等离子体是弱磁化。在低磁化下，冲击前兆的大尺寸确实为电磁微不稳定性的增长提供了足够的时间，并且这种微不稳定性产生小尺度湍流，这又提供了所需的散射。本论文扩展了我们以前的分析，这些微观不稳定性的发展，占有限的角度分散束的反射和加速粒子，并占预期的加热的上游电子在冲击前兆。我们发现，只要上游等离子体的电子保持冷态，斜向双流不稳定性可以在激波洛伦兹因子gamma_{sh} ~10的范围内工作，而在此范围内，偏转不稳定性被强烈抑制;然而，当电子被加热到相对论温度时，情况变得相反，双流不稳定性被抑制，而双折射模式变得有效，即使在冲击洛伦兹因子的中等值下。这些不稳定性的峰值波长从惯性电子尺度向质子惯性尺度迁移，因为背景电子在冲击前兆的交叉过程中逐渐被加热。我们还讨论了冲击上游电流驱动的不稳定性的作用。特别是，我们表明，返回/加速粒子通过其在背景磁场中的旋转产生横向电流。我们发现，在背景等离子体中的补偿电流可以导致布尼曼不稳定性，提供了一个有效的电子加热源。[摘要]
2011-07-27 astro-ph.CO astro-ph.HE physics.plasm-ph
Elimination of the numerical Cerenkov instability for spectral EM-PIC codes
当使用电磁粒子模拟程序（EM-PIC）模拟相对论漂移等离子体时，会出现一种剧烈的数值不稳定性，称为数值切伦科夫不稳定性（NCI）。NCI是由于网格上的电磁波与波粒共振的非物理耦合，包括混叠共振，即，$ω+ 2πμ/Δt=(k_1+ 2πν_1/Δx_1)v_0$，其中$μ$和$ν_1$指的是时间和空间别名，等离子体在$\hat{1}$方向上以速度$v_0$相对论性地漂移。最近的研究表明，使用谱场求解器和低通滤波器的EM-PIC代码可以消除NCI中增长最快的模式。在此基础上，发展了一个新的用于研究洛伦兹增强系中激光尾场加速的谱PIC程序。然而，我们表明，在助推帧的LWFA模拟的相关参数，相对论漂移等离子体是易受主机的额外的不稳定模式与较低的增长率，这些模式出现时，增长最快的不稳定模式被过滤掉。我们发现，这些模式是最容易识别的模式之间的耦合，这是纯粹的横向（EM）和纯粹的纵向（朗缪尔）在特定的时间和空间别名的等离子体的休息帧。我们重写了漂移等离子体的色散关系，并得到了每个不稳定模式，即每个时间和空间混叠共振的位置和增长率的解析表达式。我们显示的频谱求解器，当增长最快的模式被淘汰时，一个新的模式在基本共振（$μ=ν_1=0$）可以看到。（请检查论文中的全部摘要）。
2015-01-31 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Improved Numerical Cherenkov Instability Suppression in the Generalized PSTD PIC Algorithm
University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）
本文提出一种方法，通过微调横向场以完全消除数值切连科夫不稳定性基本模，同时最小化横向场修正，通过数值计算残余增长率和与WARP模拟的比较验证了其有效性。
2015-02-04 cs.NA math.NA physics.acc-ph
Suppressing grid instability and noise in particle-in-cell simulation by smoothing
本研究提出一种利用 Poisson 求解的高效平滑算法，通过平滑短波长电荷密度变化，稳定显式静电 PIC 等离子体模拟，抑制网格加热、冷束流不稳定性和粒子噪声，并降低计算成本。
2025-03-07 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Review and Recent Advances in PIC Modeling of Relativistic Beams and Plasmas
粒子单元（PIC）模拟代码具有广泛的适用性，多维非线性等离子体现象的第一性原理建模，包括尾场加速器。本文综述了有限差分和伪谱PIC算法，包括数值不稳定性抑制和谱场求解器的推广。
2014-08-05 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Modeling of Laser wakefield acceleration in Lorentz boosted frame using EM-PIC code with spectral solver
用$v_b$模拟等离子体向激光漂移的洛伦兹增强坐标系中的激光尾场加速（LWFA），可以使模拟速度提高$γ^2_b=(1-v^2_b/c^2)^{-1}$倍。在这些模拟中，相对论漂移等离子体不可避免地引起高频数值不稳定性，污染感兴趣的物理。已经提出了各种方法来减轻这种不稳定性。一种方法是在傅立叶空间中求解麦克斯韦方程组（频谱求解器），因为这已经被证明可以在傅立叶空间中使用简单的低通、环（二维）或壳（三维）滤波器来抑制简单测试问题中这种不稳定性的最快增长模式。我们描述了一个完全并行化的，多维的，粒子在细胞的代码，使用频谱求解器来解决麦克斯韦方程组，包括使用移动天线发射激光的能力的发展。这个新的EM-PIC代码被称为UPIC-EMMA，它基于UCLA PIC框架（UPIC）的组件。我们表明，通过使用UPIC-EMMA，LWFA模拟的提升框架与任意$γ_b$可以进行而不存在的数值不稳定性。我们还比较了几个LWFA的情况下，几个值的$γ_b$，包括实验室框架模拟使用OSIRIS，一个EM-PIC代码与有限差分时域（FDTD）麦克斯韦求解器的结果。这些比较包括线性和非线性制度的情况。我们还研究了实验室数值色散和增强帧模拟以及FDTD和频谱求解器之间的一些问题。
2013-10-09 physics.comp-ph physics.plasm-ph
The electron cyclotron drift instability: a comparison of particle-in-cell and continuum Vlasov simulations
本文通过PIC和连续Vlasov模拟研究了电子回旋漂移不稳定性（ECDI），发现长方位角长度下两者均现逆级联，但PIC模拟因统计噪声导致更剧烈的电子加热和反常电流。
2023-03-06 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Mixing the solar wind proton and electron scales. Theory and 2D-PIC simulations of firehose instability
火管不稳定性（FIs）在许多天体物理学应用中被引用。特别感兴趣的是在弱碰撞甚至无碰撞等离子体中的动力学表现，这些不稳定性预计将有助于宏观参数的演变。相对最近的研究已经开始了一个现实的描述FI，诱导的相互作用的两个物种，电子和质子，占主导地位的太阳风等离子体。这项工作补充了现有的知识，从线性理论和2D PIC模拟的第一次披露的新见解，确定了不稳定阈值附近增长最快的模式及其对各向异性分布的长期影响。因此，与以前的设置不同，这些条件有利于那些非周期性的分支，这些分支倾斜地传播到均匀的磁场，（最大）增长率高于周期性的，准平行模式。一般来说，理论预测得到了模拟的证实。非周期电子FI（α-π）不受质子各向异性的影响，并在低水平波动时迅速饱和。关于质子尺度的水龙带不稳定性，我们看到周期性和非周期性分支之间的竞争更强。对于我们分析中选择的参数，a-PFI比p-PFI先激发，后者达到显著更高的波动功率。然而，这两个分支显着增强的各向异性电子的存在。EFI和PFI之间的相互作用也产生了更明显的质子各向同性。
2022-05-04 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Grid instability growth rates for explicit, electrostatic momentum- and energy-conserving particle-in-cell algorithms
本文系统研究了多种显式静电PIC算法的网格加热问题，推导并测试了基于三次样条的算法，证明高阶场求解无法消除网格加热，并给出了能量守恒算法的冷束稳定性极限解析表达式。
2025-09-16 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Physical mechanism of the transverse instability in radiation pressure ion acceleration
靶的横向稳定性是利用激光辐射压力加速（RPA）机制获得高质量离子束的关键。在这封信中，一个理论模型和支持二维（2D）粒子在细胞（PIC）模拟，以澄清在RPA过程中观察到的横向不稳定性的物理机制。结果表明，靶箔的密度波动主要是由横向振荡电子与准静态离子之间的耦合引起的，这一机制类似于惯性约束聚变（ICF）研究中的横向双流不稳定性。理论预测的模式结构和增长率与PIC模拟结果在不同的制度，表明该模型包含的基本物理的本质的横向分裂的目标。
2016-03-30 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Time-step dependent force interpolation scheme for suppressing numerical Cherenkov instability in relativistic particle-in-cell simulations
本文提出了一种用于相对论粒子模拟的具有时间步长依赖性的分段多项式力插值格式--WT格式。WT格式消除了Courant条件允许的任意时间步长下的最低阶数值Cherenkov不稳定性（NCI）增长率。虽然高阶共振的NCI仍然存在，但数值试验表明，对于较小的时间步长，数值不稳定性的增长比使用先前研究中发现的最佳时间步长要慢得多。WT方案对于提高相对论PIC模拟的质量和灵活性是有效的。
2020-04-12 astro-ph.HE physics.acc-ph physics.comp-ph
Visualizing the Radiation of the Kelvin-Helmholtz Instability
等离子体模拟中出现的新技术允许跟踪数十亿个粒子，同时计算它们的辐射光谱。我们通过在美国最快的超级计算机Titan上使用完全相对论性的粒子细胞代码PIConGPU进行模拟，展示了相对论性开尔文-亥姆霍兹不稳定性的可视化[1]。
2014-04-04 physics.comp-ph physics.plasm-ph
PIC Simulations of Continuously Driven Mirror and Ion Cyclotron Instabilities in High Beta Astrophysical and Heliospheric Plasmas
我们使用粒子模拟（PIC）来研究离子速度空间不稳定性在一个理想化的问题，其中的背景速度剪切连续放大的磁场的非线性演化。我们模拟的天体物理学相关的制度，剪切时间尺度是长的离子回旋周期相比，等离子体β是~ 1-100。在我们的计算中，背景场放大是为了模拟湍流波动或MHD尺度不稳定性等过程。场放大持续驱动压力各向异性，垂直压力大于平行压力，并且等离子体变得不稳定到镜像和离子回旋不稳定性。在所有情况下，非线性状态是占主导地位的镜像不稳定性，而不是离子回旋不稳定性，和等离子体压力各向异性饱和的线性镜像不稳定性的阈值附近。磁场波动最初经历指数增长，但在长期阶段中饱和，其中波动在与背景磁场相同的时间尺度上增长（长期阶段中δB约为0.3<B>）。在早期，离子磁矩是很好的守恒的，但是一旦波动幅度超过δB ~ 0.1<B>，磁矩就不再守恒，而是在与平均磁场的时间尺度相当的时间尺度上变化。我们讨论了低碰撞天体物理等离子体，包括近地太阳风和低光度吸积盘周围的黑洞的影响，我们的结果。
2015-01-10 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Transverse instability magnetic field thresholds of electron phase-space holes
一个详细的比较分析和粒子在细胞（PIC）模拟调查的横向不稳定性，在两个维度，最初一维电子相空间空穴平衡。良好的定量协议之间的移位模式的分析和模拟的磁场（$B$）阈值，在该阈值的不稳定性变得过稳定（时间振荡）和频率的实部和虚部。完全稳定的模拟$B$ -阈值超过了20至30%的移位模式分析的预测，因为模式在空间范围上变得比纯移位窄得多。这种阈值的变化定性地解释了不稳定的运动机制。
2019-01-20 physics.plasm-ph physics.space-ph
Apar-T: code, validation, and physical interpretation of particle-in-cell results
我们提出的并行粒子在细胞（PIC）代码Apar-T，更重要的是，解决的基本问题之间的关系的PIC模型，Vlasov-Maxwell理论，和真正的等离子体。首先，我们提出了四个验证测试：从模拟的热等离子体光谱，相对论撕裂不稳定性的线性增长率和不稳定性，和非线性不稳定性合并阶段。对于双折射不稳定性，我们表明，总能量上测量的有效增长率可以从线性冷预测和模拟的最快模式相差超过50%。其次，我们详细介绍了一种新的方法，初始加载的Maxwell-Jüttner粒子分布与相对论体积速度和相对论温度，并解释了为什么传统的方法与单个粒子助推失败。第三，我们仔细研究的问题是什么描述的物理等离子体得到PIC模型。这些模型依赖于两个构建块：粗粒度，即，将p~10^10数量级的真实粒子分组为单个计算机超粒子，并将其场存储在具有随后的有限超粒子尺寸的网格上。我们引入粗粒度相关量的概念，即，它们来自PIC等离子体参数Lambda^{PIC}，我们将其标度为1/p。其一是PIC碰撞和涨落诱导的热化时间预计与每个网格单元的超粒子数成比例，因此比真实等离子体小p~10^10倍。另一种是电场涨落的能级标度为1/Lambda^{PIC} ~ p，我们给出了相应的精确表达式。第四，我们比较了Vlasov-Maxwell理论，它描述了一个相空间流体与无限的Lambda，PIC模型和它的相对较小的Lambda。
2013-08-27 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Speeding Up Simulations By Slowing Down Particles: Speed-Limited Particle-In-Cell Simulation
基于粒子单元（PIC）等离子体模拟方法，速度受限PIC（SLPIC）方法在粒子分布演化速度慢于最大稳定PIC时步的情况下，能提供更快的动力学等离子体模拟。因此，SLPIC提供了更可行的，完全动力学模拟的制度，历史上需要流体的方法，如磁流体动力学（MHD），双流体，或玻尔兹曼电子治疗。特别是，SLPIC允许显式的时间推进的步骤远大于逆等离子体频率，避免不稳定的显式PIC面对大的时间步长。SLPIC通过减慢快粒子（例如，与MHD、双流体和玻尔兹曼电子方法不同，SLPIC并没有从根本上忽略任何第一原理等离子体物理，尽管网格单元大小、时间步长和每个单元的宏观粒子数量的选择自然限制了可以准确表示的物理现象。SLPIC可以通过对标准PIC代码的微小修改来实现，并且不需要隐式时间提前。它可以在第一原理动力学等离子体模拟中实现适当缓慢现象的大时间步长，并且可以处理许多与PIC相同的复杂问题，例如边界条件和碰撞。在氩等离子体鞘层测试问题中，SLPIC模拟实现了比相应的PIC模拟快160倍的速度，而不损失精度。
2019-01-07 physics.comp-ph physics.plasm-ph
An implicit, conservative and asymptotic-preserving electrostatic particle-in-cell algorithm for arbitrarily magnetized plasmas in uniform magnetic fields
本文提出一种适用于均匀磁场中任意磁化等离子体的隐式、守恒且渐近保持的静电PIC算法，通过新的粒子推进方案实现远超回旋周期的大时间步长，在保持能量和电荷精确守恒的同时获得数量级计算加速。
2023-03-27 physics.comp-ph physics.plasm-ph
