HYPIC: A fast hybrid EM PIC-MCC code for ion cyclotron resonance energization in cylindrical coordinate system
本文提出了名为 HYPIC 的二维混合电磁 PIC-MCC 模拟程序，通过结合绝热电子近似与 PIC 离子，在较低计算成本下快速模拟了直线装置中的天线-等离子体相互作用及离子回旋共振能量化过程。
2024-01-10 physics.plasm-ph
Advanced fluid modelling and PIC/MCC simulations of low-pressure ccrf discharges
采用两种不同的流体模拟方法以及两个独立开发的粒子-细胞/蒙特卡罗碰撞（PIC/MCC）代码，在10和80 Pa之间的压力下的氦和氩中的电容耦合射频放电的比较研究。重点是最近提出的流体模型，包括改进的漂移-扩散近似的电子组件，以及其与流体建模结果使用经典的漂移-扩散近似和基准结果PIC/MCC模拟的适用范围的分析。给出了该时空相关流体模型的主要特点。它被发现，新的方法一般表现出相当好的协议与宏观性能的动力学模拟，并在很大程度上能够定性和定量的放电行为，即使在条件下，当经典的流体建模方法失败。此外，使用速度Verlet方法积分运动方程的两个PIC/MCC模拟代码之间的良好协议验证了其准确性和适用性。
2017-01-31 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Effects of fast atoms and energy-dependent secondary electron emission yields in PIC/MCC simulations of capacitively coupled plasmas
在大多数射频电容耦合等离子体（CCP）的PIC/MCC模拟中，进行了几种简化：（i）不追踪快中性粒子，（ii）忽略重粒子诱导的激发和电离，（iii）不考虑由于中性粒子碰撞而从边界表面发射的次级电子，以及（iv）假定次级电子发射系数为常数，即与入射粒子能量和表面条件无关。在这里，我们的问题的有效性，这些简化的条件下，典型的等离子体处理应用。我们研究的影响，包括快中性粒子和使用现实的能量依赖的次级电子发射系数的离子和快中性粒子在模拟的CCP在氩气中工作在13.56 MHz和中性气体压力在3 Pa和100 Pa之间。我们发现一个强大的等离子体密度和离子通量的电极在大多数条件下，如果这些过程中包括现实的模拟增加。鞘层的宽度被发现是显着较小的，并发现在高压下的高电压振幅的模拟发散与实验结果的定性协议。通过在模拟中打开和关闭各个过程，我们确定了它们对电离动力学和等离子体参数的单独影响。我们的结论是，快中子和能量依赖的次级电子发射系数必须包括在模拟的CCP，以产生现实的结果。
2015-02-05 physics.plasm-ph
Implicit PIC Simulations of Hydrogen Plasmas with Intense Negative Ion Production
Institute of Theoretical Electrical Engineering, Ruhr University Bochum（鲁尔大学波鸿分校理论电气工程学院）
本研究针对低压氢等离子体放电的负离子产生问题，采用隐式能量守恒PIC/MCC方案进行模拟，避免了显式方法的低效性，可直接用实际参数建模并分析负离子产生情况。
2026-10-14 physics.plasm-ph
Energy-Preserving Coupling of Explicit Particle-In-Cell with Monte Carlo Collisions
本文针对显式PIC与MCC耦合时出现的异常数值加热问题，分析其产生根源并提出能量守恒的耦合方案。
2024-10-18 physics.comp-ph physics.plasm-ph
A non-neutral regime of radio-frequency atmospheric pressure plasma jets: Simulation and modeling
射频驱动的大气压等离子体射流（RF APPJ）在许多技术应用中起着至关重要的作用。这项工作研究了这些放电的特性，在所谓的非中性制度的传统结构的准中性散装和电子耗尽鞘不发展，而电子，而不是组织在一个漂移孤子样的结构，从来没有达到准中性。建立了一种混合粒子-单元-蒙特卡罗碰撞（PIC/MCC）模拟方法，该方法将基于PIC/MCC算法的完全动力学电子模型与离子漂移扩散模型相结合。此外，电子动力学的分析模型制定。研究了类孤子结构的形成以及孤子与电子动力学之间的联系。电子群的位置遵循漂移方程，而空间形状可以用同动坐标系中的Poisson-Boltzmann平衡来描述。使用李雅普诺夫方法和线性稳定性分析进行稳定性分析。数值模拟与分析模型的比较产生了良好的协议。
2021-09-19 physics.plasm-ph
On the energy conservation electrostatic PIC/MC simulating: benchmark and application to the radio frequency discharges
通过射频放电仿真，对基于能量守恒（EC）的PIC/MCC算法进行了误差分析。分析了一维模拟得到的等离子体加热行为和电子分布函数。检查显式和隐式算法。结果表明，EC格式在两种情况下均能在较宽网格间距下消除自热，且精度降低较小。在典型参数下，EC隐式格式比EC显式格式具有更高的精度。观察和分析了一些“数值冷却”行为。对其它误差也进行了分析。分析表明，EC隐式格式可以在不损失精度的前提下，以较少的计算资源对某些流量问题进行定性计算。
2014-01-29 physics.plasm-ph
A New Hybrid Scheme for Simulations of Highly Collisional RF-Driven Plasmas
这项工作描述了一种新的一维混合建模方法具有复杂的化学大气压放电。在这种方法中，电子完全动力学描述使用粒子在细胞/蒙特卡罗（PIC/MCC）计划，而重的物种内的流体描述建模。流行的漂移扩散近似的有效性进行了验证对一个“全”流体模型占离子惯性和离子以及电子的完全动力学PIC/MCC代码。流体模型需要了解动量交换频率和离子迁移率对电场的依赖性，当离子与电场平衡时。为此，构造了一个辅助Monte-Carlo方案。结果表明，漂移扩散近似可以高估离子输运在模拟RF驱动的放电与重离子物种操作在$γ$模式在大气压下或在所有的放电模拟较低的压力。这可能导致夸大的等离子体密度和漂移扩散模型提供的不正确的轮廓。因此，具有全离子流体模型的混合代码版本应该受到青睐，而不是更流行的drfit扩散模型，注意到前一个模型的建议的数值方案意味着只有一个小的额外的计算成本。
2015-08-12 physics.plasm-ph
Modeling the Role of Secondary Electron Emission in Direct Current Magnetron Sputtering using Explicit Energy-Conserving Particle-in-Cell Methods
本文使用全动能PIC仿真研究直流磁控溅射，通过引入显式能量守恒EC-PIC算法并与MC-PIC对比，发现提高二次电子产额和降低外部电阻会增加电流和等离子体密度，且EC-PIC在高电流密度下数值稳定性更优。
2025-07-14 physics.plasm-ph
Periodical Plasma Structures Controlled by Oblique Magnetic Field
采用2D3V PIC MCC方法研究了斜向外磁场中的推进型等离子体。随着磁场强度的增加，电子和离子密度出现极大值的周期性结构。这些电子和离子密度的脊与磁场矢量对齐，并且相对于彼此偏移。结果在圆柱形等离子体室中形成了二维双层结构。斜向磁场对侧壁上的离子流和电子流有重要的调制作用。
2016-11-19 physics.plasm-ph
Striations in electronegative capacitively coupled radio-frequency plasmas: analysis of the pattern formation and the effect of the driving frequency
最近通过相位分辨光发射光谱（PROES）在电容性射频CF 4等离子体中观察到等离子体发射的自组织条纹结构，并且通过单元中粒子/蒙特卡罗碰撞（PIC/MCC）模拟分析和理解它们的形成[Y.- X. Liu等人，Phys. Rev. Lett. 116，255002（2016）]。条纹被认为是由于调制的正离子和负离子的密度响应于外部施加的RF电位的双电层的周期性生成的结果。在这项工作中，深入分析的条纹的形成，以及驱动频率对等离子体参数，如空间调制的带电粒子密度，电场，和电子功率吸收的影响进行了研究PROES测量，PIC/MCC模拟，和离子-离子等离子体模型。在不同驱动频率下测量的时空电子激发模式显示出与模拟结果高度一致。条纹间隙（即，两个离子密度最大值之间的距离）与驱动频率成反比。在存在条纹的情况下，体区的最小（CF_3^+，F^-）离子密度随驱动频率近似呈二次曲线增加。对于这些密度，离子-离子等离子体的本征频率接近驱动频率，表明正离子和负离子与等离子体块内部的振荡电场之间发生共振。在等离子体块中的最大离子密度被发现不表现出一个简单的依赖于驱动频率，因为这些离子密度异常增强，在一定的频率范围内，由于离子被集中到“条纹”的空间调制的电场内的散装区域。
2017-03-17 physics.plasm-ph
A kinetic-moment framework for electron energy dynamics in capacitively coupled plasmas: absorption, conversion, transport, and dissipation
Beijing Institute of Technology（北京理工大学）
本文提出了一种基于PIC/MCC模拟的动能-矩框架，用于研究电容耦合等离子体中电子能量的吸收、转换、传输与耗散过程，并揭示了非平衡等离子体中能量演变的机理。
2026-01-22 physics.plasm-ph
Electronegativity effects on plasma dynamics in He/O$_2$ RF microplasma jets at atmospheric pressure
本研究通过对比相位分辨发射光谱与混合数值模拟，揭示了大气压 He/O$_2$ 射频微等离子体射流中电负性增加导致体电场不均匀，进而调制电子碰撞激发动力学，且实验与模拟结果高度吻合。
2025-05-28 physics.plasm-ph
An enhanced operating regime for high frequency capacitive discharges
我们报告存在一个增强的操作制度的高频，低压电容耦合等离子体（CCP）放电中存在的弱磁场施加平行于电极。我们的PIC-MCC模拟表明，等离子体密度和离子通量值表现出尖锐的峰值时，电子回旋频率等于所施加的RF频率的一半。负责这种行为的物理机制被追踪到电极鞘边缘的振荡运动和由该鞘反射的一组电子的运动之间的同步。这些电子获得大量的能量，导致伴随的更高的电离，导致离子通量的峰值。我们的理论研究结果应该是很容易验证的实验在当今的CCP设备，可以提供有用的指导方针，提高CCP设备的操作性能在工业应用中。
2020-12-04 physics.plasm-ph
Study of similarity rules for electromagnetic process in partially ionized plasmas
已有的研究表明，电子与离子的库仑碰撞将破坏等离子体中电磁过程的相似性。因此，在高度电离的碰撞等离子体中没有相似性。但对于低电离度的碰撞等离子体，情况将完全不同。主要碰撞类型由电子-离子库仑碰撞转变为电子-分子碰撞，并在相似约束中引入一个新的变量（中性分子数密度），增加了自由度，从而使碰撞过程引起的相似约束与其他约束不冲突.因此，碰撞等离子体中电磁过程的相似性对部分电离等离子体也是有效的。本文提出了部分电离等离子体中的相似性，并通过粒子模拟/蒙特卡罗（PIC/MCC）证明了这一点。我们的研究具有广泛的工程应用。
2021-11-28 physics.plasm-ph
Rotating spoke instabilities in a wall-less Hall thruster: Simulations
采用三维PIC MCC程序对ISCT 200推力器无壁构型下的低频旋转等离子体不稳定性（轮辐）进行了数值模拟。在模拟中，观察到m = 1的轮辐在ExB方向上以6.5 km/s的速度旋转。轮辐中的旋转电子密度结构伴随着中性气体的强烈耗尽区域，这清楚地表明轮辐不稳定性具有电离性质，类似于轴向呼吸模式振荡。在模拟中，通过轮辐芯的电子交叉场传输由高频（4-10 MHz）、短尺度（3 mm）电场振荡中的扩散引起。这些短尺度振荡在推进器放电中起着至关重要的作用，因为超过70%的阳极电子电流来自辐条核心。电流的其余部分源自轮辐前部，其中电子向阳极的交叉场传输是由于轮辐宏观方位角电场中的ExB漂移。
2019-03-09 physics.plasm-ph
Data-Driven Reconstruction of Spatially Resolved Electron and Ion Energy Distributions from Macroscopic Plasma Quantities with Deep Neural Networks
Group in Computational Science and HPC, Dhirubhai Ambani University（计算科学与高性能计算组，迪鲁巴伊·安巴尼大学）
本研究采用U-Net、FNO、MeshGraphNet三种深度学习模型，通过2D-3V PIC-MCC模拟数据学习宏观等离子体可观测量到空间分辨EEDFs/IEDFs的非线性映射，证实宏观等离子体量可推断低温等离子体关键动力学特性，FNO表现最优。
2026-08-18 cs.LG physics.comp-ph physics.plasm-ph
Ion dynamics in capacitively coupled argon-xenon discharges
氩-氙（Ar/Xe）等离子体被用作复杂等离子体的模型系统。在此基础上，利用粒子模拟/蒙特卡罗碰撞（PIC/MCC）方法研究了对称低压电容耦合射频放电。除了模拟，一个分析的能量平衡模型与模拟数据馈给进一步分析的结果。本文主要研究了以两种离子和一种混合气体为背景的等离子体中的离子动力学。通过改变单频放电的气体成分和驱动电压，讨论了放电的基本机制，如等离子体密度和能量色散的演变。因此，密切关注这些措施对电极表面离子能量分布函数的影响。结果表明，气体成分和驱动电压都可以显着影响离子动力学。氩与氙的混合比允许将一种离子种类的分布函数从无碰撞转移到碰撞主导。混合比用作离子通量和离子在表面处的撞击能量的控制参数。此外，氩离子化和氙离子化之间的协同效应被发现和讨论。
2021-02-17 physics.plasm-ph
Spoke formation in low temperature ExB plasmas. Transition from gradient-drift instability to ionization wave
在霍尔推进器或磁控管放电的实验中，已经观察到了在方位角方向上旋转的长波等离子体非均匀性（“旋转辐条”）。我们使用一个二维（2D），轴向方位角粒子在细胞蒙特卡罗碰撞（PIC-MCC）模型来研究直流（DC）磁控管放电的不稳定性的形成条件下接近最近的实验。尽管模型的简化的2D几何形状，模拟可以再现实验结果的主要特征。在阴极上方的给定位置处，对应于轮辐位置，模拟示出了等离子体密度的大幅度振荡以及在轮辐的前缘处的等离子体电势和电子温度的非常急剧的增加，如在时间分辨探针测量中那样。此外，模拟结果表明，不稳定性从线性相位中的梯度漂移型不稳定性随时间演变为非线性相位中的电离波，在第一相位中在+ExB方向上旋转，在第二相位中在-ExB方向上旋转。正如在实验中一样，发现辐条的数量随着压力的增加而增加。电子加热的机制和作用的Bx $\nabla$ B漂移电子加热和在一致性和方向的发言旋转进行了讨论。
2022-11-30 physics.plasm-ph
The effect of alternative propellants on the electron drift instability in Hall-effect thrusters: Insight from 2D Particle-In-Cell simulations
随着进入太空变得更加经济实惠，使用氙操作的霍尔效应推进器（HHHON）是广泛的空间任务中最常用的电推进技术之一，包括低地球轨道中的阻力补偿、位置保持和轨道插入。尽管在氙基推进剂中对反常电子输运、电子漂移不稳定性（EDI）和次级电子发射（SEE）进行了实验和数值研究，但替代推进剂的影响仍然很差。在这项工作中，一个二维的粒子在细胞/蒙特卡罗碰撞（PIC/MCC）代码被用来模拟（r -- $θ$）平面的HET分别与四种不同的惰性气体：氙，氪，氩，氦。电子诱导次级电子发射（SEE）和电介质壁模型的实施，以研究推进剂的选择和径向推力器壁之间的耦合。对于所有的条件和研究的推进剂，EDI和增强的电子交叉场传输观察。的不稳定性的频率，以及电子迁移率，从最近开发的动力学理论的解析表达式进行比较。证明了这一理论，它表明，虽然EDI的频率取决于推进剂的质量，电子迁移率似乎是几乎独立的推进剂的选择。
2018-04-17 physics.plasm-ph
Electron dynamics of three distinct discharge modes of a cross-field atmospheric pressure plasma jet
本文采用PIC/MCC模拟结合PROES实验，系统研究了COST-Jet交叉场大气压等离子体射流在非中性、准中性和收缩三种放电模式下的电子动力学及模式转变规律，为优化等离子体应用提供了重要依据。
2025-01-29 physics.plasm-ph
3D simulations of positive streamers in air in a strong external magnetic field
本研究通过3D PIC-MCC模拟探究0-40T外磁场对大气压正流注的影响，揭示了磁场方向、强度与流注分岔、偏转及半径变化的关联机制，补充了磁场对电子输运作用的相关认知。
2024-01-30 physics.plasm-ph
Kinetic simulation of the sheath dynamics in the intermediate radio-frequency regime
本文研究了中等射频范围内的时间调制等离子体边界鞘层的动力学，其中所施加的射频和离子等离子体频率是可比的。采用两种动力学模拟程序，并对它们的结果进行了比较。第一个代码是一个众所周知的计划，粒子在细胞与蒙特卡罗碰撞（PIC/MCC）的实现，并模拟整个放电，一个平面的射频电容耦合等离子体（RF-CCP）与一个额外的加热源。第二个代码是基于最近公布的计划Ensemble-in-Spacetime（EST），它只解决鞘层，并需要时间分辨的电压和离子通量进入鞘层作为输入。离子惯性导致鞘层电荷-电压关系的时间不对称性（滞后），也发现其他离子渡越时间effects.这两个代码是在很好的协议，无论是相对于鞘层的空间和时间动态，相对于在电极上的离子能量分布。它的结论是，EST计划可以作为一个有效的后处理器流体或全球模拟和测量：它可以快速，准确地计算离子分布函数，即使没有真正的动力学信息。
2013-05-29 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Simulation Studies of Resonant Excitation of Electron Bernstein Waves in Capacitive Discharges
School of Physical Sciences, UM-DAE Centre for Excellence in Basic Sciences, University of Mumbai（孟买大学基础科学卓越中心物理学院）；Institute for Plasma Research（等离子体研究所）；Homi Bhabha National Institute（霍米·巴巴国立研究所）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）
本研究通过模拟探讨了弱磁场条件下等离子体电容放电中电子伯恩斯坦波的共振激发现象，揭示了磁场强度变化对放电对称性及电子伯恩斯坦波传播的影响。
2026-05-19 physics.plasm-ph
Understanding In-Chamber Plasma Behavior Using a Dimensionally Scaled Gridded Ion Thruster in Three-Dimensional Kinetic Particle-in-Cell Simulations
University of Illinois, Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
本研究采用耦合DSMC中性背景的全动理学三维PIC-MCC求解器，模拟地面测试条件下缩比栅格离子推力器的舱内羽流等离子体行为，揭示了非弹性电子冷却、背景压力对束流中和、壁面相互作用及鞘层特性的影响规律。
2025-11-18 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Three-Dimensional Particle-In-Cell Simulations of Two-Dimensional Bernstein-Greene-Kruskal Modes
本文通过三维PIC模拟研究磁化等离子体中二维BGK模式的稳定性，发现二维稳定/不稳定结论在三维中保持，但不稳定性发展更慢并形成轴向同相螺旋波结构，且EDB与EDH情形存在差异。
2024-10-22 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.comp-ph
Reduced-order non-self-consistent Monte Carlo simulation of a planar magnetron discharge: electron heating, recapture and racetrack formation
University of Innsbruck（因斯布鲁克大学）；Universität Innsbruck（因斯布鲁克大学）
该研究针对氩气中圆形平面磁控管放电提出降阶非自洽蒙特卡罗模型，结合两种磁场表示等方法，虽碰撞模块有高估但可半定量解释传输，模拟能再现电子群体情况，可用于比较磁场及分析相关现象，是计算量小的工具。
2026-07-23 physics.comp-ph physics.plasm-ph
