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
Ten-moment two-fluid plasma model agrees well with PIC/Vlasov in GEM problem
我们模拟磁重联在GEM问题中使用的电子流体以及质子流体的10个时刻的双流体模型。我们表明，使用10个时刻的电子给出了良好的定性协议与电子压力张量分量在发表的动力学模拟。
2010-10-05 physics.plasm-ph
Kinetic Vlasov Simulations of collisionless magnetic Reconnection
介绍了地球空间环境建模（GEM）磁重联挑战赛的全动力学Vlasov模拟。与以前的动力学模拟使用粒子在细胞（PIC）的代码，确认PIC和Vlasov代码发现良好的协议。在后者中，完整的分布函数$f_k$（$k=i,e$）在相空间中的数值网格上离散化。与PIC模拟相反，Vlasov代码不受数值噪声的影响，并且允许对分布函数进行更详细的调查。欧姆定律的不同贡献的作用进行了比较，通过计算每个条款的时刻的$f_k$。电子压力张量的非对角元的重要作用可以得到证实。X线处的感应电场主要由非回旋电子压力决定，而体电子惯性的影响较小。对扩散区电子分布函数的详细分析揭示了非回旋项的动力学起源。
2006-08-17 physics.comp-ph physics.plasm-ph
SPACE: 3D Parallel Solvers for Vlasov-Maxwell and Vlasov-Poisson Equations for Relativistic Plasmas with Atomic Transformations
一个并行的、相对论性的、三维的粒子胞程序SPACE已经被开发出来用于模拟电磁场、相对论性粒子束和等离子体。除了标准的二阶粒子-细胞（PIC）算法，空间包括有效的新算法，以解决原子物理学过程，如等离子体原子的多级电离，复合，电子附着到掺杂剂在稠密的中性气体。SPACE还包含一个高度自适应的基于粒子的方法，称为自适应粒子云（AP云），用于解决Vlasov-Poisson问题。它消除了PIC的传统笛卡尔网格，并用自适应八叉树数据结构取代它。对代码的算法、结构、性能、并行化策略和性能进行了讨论。文中还介绍了SPACE在加速器科学和工程问题上的应用实例。
2021-11-07 physics.comp-ph physics.plasm-ph
A multi-dimensional, energy- and charge-conserving, nonlinearly implicit, electromagnetic Vlasov-Darwin particle-in-cell algorithm
几十年来，Vlasov-Darwin模型已被公认为是有吸引力的粒子在细胞（PIC）动力学等离子体模拟在非辐射电磁制度，以避免辐射噪声问题和获得计算效率。然而，达尔文模型的结果在一个椭圆形的场方程，使传统的显式时间积分无条件不稳定。在这里，我们探索了一个全隐式PIC算法的多维Vlasov-Darwin模型，克服了传统的半隐式达尔文PIC算法的许多困难。达尔文场方程和粒子运动方程的有限差分格式是以时空为中心的，采用粒子子循环和轨道平均。该算法保持了总能量、局域电荷、正则动量和库仑规范的精确守恒。一个渐近适定的流体预处理器允许有效地使用大的时间步长和细胞的大小，这是由精度考虑，而不是稳定性，可以是一个标准的显式电磁PIC模拟所需的数量级以上。我们证明了该算法的精度和效率性能与各种数值实验在2D-3V。
2015-03-04 physics.comp-ph physics.plasm-ph
VR-PIC: An entropic variance-reduction method for particle-in-cell solutions of the Vlasov-Poisson equation
Department of Mechanical Engineering, MIT（麻省理工学院机械工程系）；ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）；Paul Scherrer Institute（保罗谢勒研究所）
VR-PIC方法通过熵方差减少技术提升粒子-网格解法在Vlasov-Poisson方程中的计算效率，减少偏差并保持守恒定律。
2026-02-04 physics.comp-ph physics.plasm-ph stat.CO
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
An Energy-Conserving Fourier Particle-in-Cell Method with Asymptotic-Preserving Preconditioner for Vlasov-Ampère System with Exact Curl-Free Constraint
本文提出了一种高效、精确的能量守恒隐式粒子模拟算法，用于模拟具有多物理尺度的复杂等离子体系统。这种方法包括几个不可或缺的要素：（\romannumeral 1）将原Vlasov-Poisson方程组转化为一个等价的无旋度/发散约束的Vlasov-Ampère方程组;（\romannumeral 2）一种新的结构保持傅立叶空间离散化，它在离散级精确地保持这些约束;（\romannumeral 3）求解高度非线性系统的预条件安德森加速算法;和（\romannumeral 4）基于广义欧姆定律，对不同德拜长度的隐式Crank-Nicolson格式进行线性化和一致逼近，其用作所提出的方法的渐近保持预处理器。通过数值实验，将所提出的能量守恒格式与经典的蛙跳格式和Strang算子分裂格式进行了比较，证明了所提出的方法的优越性，特别是对于跨物理尺度的等离子体系统.
2022-11-18 cs.NA math.NA physics.comp-ph
An Asymptotic-Preserving and Energy-Conserving Particle-In-Cell Method for Vlasov-Maxwell Equations
针对Vlasov-Maxwell系统，提出一种保渐近性且能量守恒的PIC算法，通过广义欧姆定律和电磁场效应分解实现特性，经基准测试验证其在跨尺度等离子体模拟中准确稳定。
2022-09-17 cs.NA math.NA physics.comp-ph
High fidelity simulations of the multi-species Vlasov-Maxwell system with the Numerical Flow Iteration
Centre for mathematical Plasma Astrophysics (CmPA), KU Leuven（KU鲁汶大学数学等离子体天体物理学中心）；Royal Belgian Institute for Space Aeronomy（比利时皇家空间气动力学研究所）
本文提出一种基于时间迭代近似的数值流迭代方法，用于高保真模拟多物种Vlasov-Maxwell系统，通过哈密顿分裂保持结构并降低内存占用。
2025-11-28 cs.NA math.NA physics.comp-ph
An Energy Conserving Vlasov Solver That Tolerates Coarse Velocity Space Resolutions: Simulation of MMS Reconnection Events
在相空间网格上运行的Vlasov解算器非常精确，但对数值要求也很高。粗糙的速度空间分辨率，这是没有问题的粒子在细胞（PIC）模拟，可能会导致数值加热或振荡的标准连续Vlasov方法。我们提出了一个新的双Vlasov求解器，它是基于一个已建立的正性保持平流计划的更新的分布函数和能量守恒的偏微分方程求解器的动力学更新的平均速度和温度。求解器通过矩拟合一起工作，在矩拟合期间，分布函数的最大熵部分被来自偏微分方程求解器的解替换。这种数值方案使得连续Vlasov方法与PIC方法在计算成本方面具有竞争力，并使我们能够用完全动力学连续方法模拟地球磁层中的大尺度重联。模拟结果与MMS航天器的测量结果吻合得很好。
2021-09-21 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Canonical symplectic particle-in-cell method for long-term large-scale simulations of the Vlasov-Maxwell system
粒子模拟是等离子体物理中最重要的数值计算工具。然而，其长期准确性尚未确定。为了克服这个困难，我们发展了一个正则辛PIC方法的Vlasov-Maxwell系统通过离散其正则泊松括号。一个快速的局部算法来解决辛隐式时间推进被发现，没有根搜索或全局矩阵求逆，使所提出的方法的应用程序非常大规模的等离子体模拟与许多，例如，$10^{9}$，自由度。该算法的长期精度和保真度使我们能够用PIC方法数值验证Mouhot和Villani关于几个数量级的非线性Landau阻尼的理论和猜想，并计算从非常波到Bernstein波的模式转换过程中反射率的非线性演化。
2015-09-19 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Relativistic Extension of a Charge-Conservative Finite Element Solver for Time-Dependent Maxwell-Vlasov Equations
在涉及粒子加速器和相对论等离子体的许多问题中，精确地模拟相对论粒子运动对于精确的物理预言是必不可少的。在这里，我们扩展了一个电荷守恒的有限元时域（FETD）粒子在细胞（PIC）算法的时间依赖性麦克斯韦-弗拉索夫方程的不规则（非结构化）网格相对论制度的实施和比较三个粒子推进器：（相对论）鲍里斯，Vay和Higuera卡里。我们说明了应用拟议的相对论FETD-PIC算法分析粒子回旋运动在相对论速度，谐波粒子振荡的洛伦兹增强帧，和相对论伯恩斯坦模式磁化电荷中性（对）等离子体。
2018-01-02 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Vlasov simulation in multiple spatial dimensions
在等离子体动力学建模中遇到的一个长期存在的挑战是在大长度和时间尺度上实现多个空间维度的实际Vlasov方程模拟。采用自适应网格方法的直接多维Vlasov模拟方法[J. W.班克斯等人，Physics of Plasmas 18，no. 5（2011）：052102; B. I. Cohen等人，November 10，2010，http：//meetings.aps.org/link/BAPS.2010.DPP.NP9.142]最近显示出有希望的结果，在本文中，我们提出了一种替代方案，Vlasov多维（VMD）模型，该模型是专门设计的，以利用等离子体波被限制在一个狭窄的圆锥体时的状态下的溶液性质，如大光学f#激光束中的受激拉曼散射的情况。与德拜长度相比大的周向网格间距则是可能的而没有不稳定性，使得与2D中的标准单元中粒子（PIC）方法相比所需的计算资源减少10个数量级，并且在3D中又减少了该数量级。与PIC方法相比，在粒子噪声是一个问题的情况下，进一步的优势会增加。VMD和PIC结果在一个二维模型的局域朗缪尔波定性一致。
2011-08-01 physics.plasm-ph
On the velocity space discretization for the Vlasov-Poisson system: comparison between Hermite spectral and Particle-in-Cell methods. Part 1: semi-implicit scheme
讨论了Vlasov-Poisson方程组数值解的谱方法，其中速度空间由Hermite基分解。我们描述了一个半隐式的时间离散，相对于显式方案的数值稳定性范围的扩展。我们还介绍和讨论了人工碰撞算子的影响，这是必要的，以照顾速度空间的约束问题，不可避免的无碰撞等离子体。在二维相空间的情况下，这种方法的计算效率和成本效益的粒子在细胞（PIC）方法进行了比较。以下例子进行了讨论：朗缪尔波，朗道阻尼，离子声波，双流不稳定性，等离子体回波。埃尔米特谱方法可以实现的解决方案，是几个数量级更准确（在一小部分的成本）相对于PIC方法。
2013-12-17 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Structure-Preserving Geometric Particle-in-Cell Methods for Vlasov-Maxwell Systems
综述了Vlasov-Maxwell系统保结构几何粒子胞（PIC）算法的最新进展。随着100 petaflop和exaflop计算能力的到来，现在可以基于第一性原理进行多尺度等离子体动力学的直接模拟。然而，标准的算法，目前采用的等离子体物理社区不具备长期的精度和保真度，这些大规模的模拟所需的。这是因为传统的模拟算法是基于数值求解基础微分（或积分-微分）方程，并且通常使用的算法不保留系统的几何和物理结构，例如局部能量-动量守恒定律、辛结构和规范对称性。结果，数值误差随着时间相干地积累，并且长期模拟结果不可靠。为了克服这一困难，并加强对exascale计算机的能力，新一代的结构保持几何PIC算法已经开发出来。新一代的算法利用现代数学技术，如离散流形，插值微分形式，和非正则辛积分，以确保规范对称性，时空对称性和电荷，能量动量守恒，和辛结构。这些高度期望的属性是难以实现使用传统的PIC算法。除了总结最近的发展和演示的实际实现，几个新的结果，包括结构保持几何相对论PIC算法，离散规范对称性和离散电荷守恒定律之间的对应性的证明，和显式非正则辛算法的离散规范对称性的改进。
2018-04-24 physics.comp-ph physics.plasm-ph
The Collisional Particle-In-Cell Method for the Vlasov-Maxwell-Landau Equations
本文提出一种碰撞粒子云网格方法，通过正则化Landau方程变分形式构造守恒质量、电荷、动量与能量且熵增的碰撞算子离散，将碰撞效应表示为确定性有效力，无需输运-碰撞分裂，并在多种等离子体不稳定性算例中验证其有效性。
2024-03-31 cs.NA math.NA physics.plasm-ph
On the velocity space discretization for the Vlasov-Poisson system: comparison between Hermite spectral and Particle-in-Cell methods. Part 2: fully-implicit scheme
我们描述了一种谱方法的Vlasov-Poisson系统的数值解的速度空间分解的Hermite基的装置，和配置空间离散通过傅立叶分解。我们的方法的新颖性是一个隐式的时间离散化，允许精确的电荷，动量和能量守恒。将该方法的计算效率和成本效益与Markidis和Lapenta（2011）以及Chen等人（2011）最近引入的全隐式PIC方法进行了比较。讨论了朗缪尔波、朗道阻尼、离子声波、双流不稳定性等问题。傅立叶-埃尔米特谱方法可以实现的解决方案，是几个数量级更准确的一小部分的成本相对于PIC。本文总结了Camporeale等人（2013）的研究，其中描述了半隐式时间离散化的相同方法，并与显式PIC进行了比较。
2013-12-17 physics.plasm-ph
A Flow-Based Hybrid Approach for Kinetic Plasma Simulations: Bridging Direct Vlasov and Particle Methods
提出一种基于流的动理学等离子体模拟混合方法，通过追踪特征曲线直接计算分布函数并结合散射点积分方案，有效降低了采样噪声和计算开销，实现了更高效的GPU加速与大规模模拟。
2025-01-26 physics.comp-ph physics.plasm-ph
High Fidelity simulations of the multi-species Vlasov equation in the electro-static, collisional-less limit
本文提出使用高保真的 Numerical Flow Iteration (NuFI) 方法求解多物种 Vlasov 方程，以克服传统 PIC 方法在模拟等离子体动力学不稳定性时精度不足且计算成本过高的问题。
2024-04-29 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
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
Primary Neutron Spectra in Ion Vlasov-Fokker-Planck Simulations
本研究针对现有流体和PiC方法计算中子能谱的局限，提出在离子Vlasov-Fokker-Planck模拟中通过五维积分计算中子能谱的方法，实现于iFP代码，可更准确反映分布偏离麦克斯韦分布的影响，助力模拟与实验的基准比对。
2023-05-03 physics.plasm-ph
An energy- and charge-conserving, nonlinearly implicit, electromagnetic 1D-3V Vlasov-Darwin particle-in-cell algorithm
最近的原理证明研究提出了一维中的非线性静电隐式粒子单元（PIC）算法（Chen，Chacon，Barnes，J. Comput. Phys.230（2011）7018）。该算法采用动力学受控的无雅可比牛顿-克雷洛夫（JFNK）方法，并保存能量和电荷的数值舍入。在这项研究中，我们将该方法推广到一维电磁模拟中，使用麦克斯韦方程组的达尔文近似，通过排序光波来避免辐射混叠噪声问题。一个隐式的，轨道平均的时间-空间为中心的有限差分格式适用于1D达尔文场方程（在潜在的形式）和1D-3V粒子轨道方程，以产生一个离散的系统，保持完全电荷和能量守恒。此外，通过隐式达尔文方程，通过磁场的适当散射规则，在任何可忽略的方向上每个粒子的正则动量的精确守恒被强制执行。几个一维数值实验证明了算法的精度和守恒性。
2013-10-07 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Intrinsic local Gauss's law preserving PIC method: A self-consistent field-particle update scheme for plasma simulations
本文提出一种内禀保持高斯定律的局部PIC方法，通过按维度拆分子步实现场-粒子自洽更新并松弛电场自由能，避免求解Poisson/Ampère方程，在经典基准测试中验证了其优势，适用于大规模并行等离子体模拟。
2025-06-03 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Vlasov Simulations of Trapping and Inhomogeneity in Raman Scattering
本文用欧拉程序ELVIS研究了激光聚变条件下的受激喇曼散射。来自均匀等离子体的后SRS发生在亚皮秒突发中，并且远远超过线性理论。还观察到前向SRS和后向SRS的再散射。等离子体波频率从线性色散曲线下移，电子分布呈现平坦化。这与陷获一致，并降低了朗道阻尼。有一些声学（$ω\propto k$）活动和可能的电子声学散射。动力学离子不影响SRS的早期，但抑制它以后。SRS从非均匀等离子体表现出动力学增强的长密度标度长度。当泵浦传播到更高的密度而不是更低的密度时，会产生更多的散射。
2005-08-17 physics.plasm-ph
Efficient cylindrical envelope modeling for laser wakefield acceleration
由麦克斯韦方程组和弗拉索夫方程给出的三维系统分辨率可以描述激光尾流场加速的所有感兴趣的现象，只有少数例外（如电离）。这种艰巨的任务可以使用粒子在细胞（PIC）代码，其中等离子体是由一个整体的宏观粒子和电磁场的计算网格上定义的采样数字完成。然而，由此产生的三维PIC模拟需要大量的资源，并且通常产生比研究现象的特定方面所需的信息量更大的信息量。简化模型，即考虑近似和对称性的麦克斯韦-弗拉索夫系统的模型，因此对于初步研究和参数扫描具有根本的重要性。在这项工作中，这些模型之一的代码Smilei，一个信封描述的激光等离子体相互作用的圆柱对称性，实施的描述。
2019-12-10 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Noiseless Vlasov-Poisson simulations with linearly transformed particles
我们介绍了一种确定性的离散粒子模拟方法，线性变换粒子在细胞（LTPIC）的方法，采用线性变形的粒子，以减少传统上与粒子计划的噪音。形式上，变换粒子是合理的相空间中的特征流的局部一阶展开。在实践中，该方法相当于使用变形矩阵内的粒子形状函数，这些矩阵通过局部评价的前向数值流更新。因为有必要周期性地将粒子重新映射到规则网格上以避免它们的形状过度变形，所以该方法可以被看作是Denavit的前向半拉格朗日（FSL）方案[J. Denavit，J. Comp. Physics 9，75（1972）]的发展。然而，它最近已经建立[M]。Campos Pinto，“Smooth particle methods without smoothing”，arXiv：1112.1859（2012）]，基本的线性变换粒子方案收敛于抽象的传输问题，而不需要重新映射粒子;因此，使粒子变形可以被视为一种显著降低FSL方案中所需的重新映射频率的方式，并因此降低相关联的数值扩散。为了将该方法与静电场求解器相结合，我们研究了两种比荷沉积方案，并将它们的性能与标准沉积方法进行了比较。最后，数值1d 1v模拟涉及基准测试用例和晕形成在一个初始失配的热片束证明了我们的LTPIC计划的一些优势，经典的PIC和FSL方法。基准测试案例还表明，对于涉及类似计算工作的数值选择，LTPIC方法能够达到或超过最先进的高分辨率Vlaso…
2013-03-29 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Electron Energization in Reconnection: Eulerian versus Lagrangian Perspectives
本文利用Gkeyll框架中的连续Vlasov-Maxwell求解器，从欧拉视角重新研究磁重联中的电子能量化，发现远离重联x点时抗磁漂移和非回旋各向异性漂移是主要机制，并与传统拉格朗日PIC分析结果进行对比。
2024-01-18 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Galilean Electromagnetic Particle-in-Cell Code
Institute for Theoretical Physics I, University of Düsseldorf（杜塞尔多夫大学理论物理研究所I）
本文提出了一种伽利略电磁粒子-网格（GEM-PIC）算法，通过将麦克斯韦方程组和Vlasov方程转换到提升坐标系中，实现电磁相互作用结构的保持和计算效率的提升，无需区分束流和流体粒子，从而实现自洽的粒子捕获处理。
2026-05-20 physics.plasm-ph
An Energy- and Charge-conserving, Implicit, Electrostatic Particle-in-Cell Algorithm
本文讨论了一种新的全隐式公式的一维静电粒子模拟（PIC）等离子体方法。与早期的隐式静电PIC方法（基于线性化的Vlasov-Poisson公式）不同，我们的方法基于非线性收敛的Vlasov-Ampère（VA）模型。通过迭代粒子和场到严格的非线性收敛容限，该方法具有优越的稳定性和准确性，避免了早期隐式PIC实现中的大部分准确性陷阱。特别是，制定是稳定的时间（CFL）和空间（混叠）的不稳定性。对任意隐式时间步长的数值求解是电荷和能量守恒的。虽然动量不完全守恒，但自适应粒子子步进轨道积分器使误差保持较小，这有助于防止粒子隧穿。VA模型沿粒子轨道进行轨道平均，以执行具有粒子子步进的能量守恒定理。因此，非常大的时间步长，仅受感兴趣的动态时间尺度的约束，是可能的，而不损失精度。在数学上，该方法具有Jacobian自由牛顿-克雷洛夫求解器。在这项研究中的一个主要发展是新的时间粒子变量（位置和速度）的非线性消除。这种非线性消除，我们称之为粒子奴役，结果在非线性配方与内存的要求相比，流体计算，并为我们提供了大量的自由度方面的粒子轨道积分。给出了数值例子，证明了该方案的宣传性质。特别是，长时间的离子声波模拟表明，数值精度不会降低，即使非常大的隐式时间步长，显着的CPU增益是可能的。
2011-01-19 physics.comp-ph physics.plasm-ph
A Numerical Study of Landau Damping with PETSc-PIC
我们提出了一个标准的等离子体物理测试，朗道阻尼，使用粒子在细胞（PIC）算法的研究。朗道阻尼现象是指在没有碰撞的情况下等离子体中微小振荡的阻尼。在PIC方法中，一个混合离散构造与网格的离散支持的基函数表示的电场，磁场和/或引力场，和一个分布的delta函数表示的粒子场。近似的色散关系被发现是不充分的精确计算值的电场频率和阻尼率时的物理系统的参数，如等离子体频率或热速度，是变化的。我们提出了一个完整的推导和数值解的色散关系，并验证了PETSC-PIC数值解的Vlasov-Poisson波数和电荷密度的大范围。
2023-03-22 cs.CE physics.plasm-ph
Numerical thermalization in $n$-D particle-in-cell simulations
University of Michigan（密歇根大学）；Sandia National Laboratories（桑迪亚国家实验室）
研究粒子云网格模拟中因宏观粒子权重过大导致的人工碰撞，通过速度自相关函数计算碰撞时间，验证了Okuda、Birdsall和Langdon动力学理论的准确性，并预测了数值热化时间尺度。
2026-06-25 physics.plasm-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
An explicit, energy-conserving particle-in-cell scheme for relativistic plasmas
Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）；University of Washington（华盛顿大学）
本文提出了一种适用于相对论等离子体的显式能量守恒粒子-网格方案，该方案基于优化问题，能够在局部对每个粒子进行求解，以确保精确的能量守恒，同时验证了其在标准相对论测试问题中的有效性。
2026-05-18 cs.NA math-ph math.MP
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
Neural Networks for the Analysis of Traced Particles in Kinetic Plasma Simulations
针对动力学等离子体模拟中目视分析示踪粒子轨迹存在偏差的问题，提出基于神经网络的粒子数据分析方法，用含252,000个电子的PIC数据集验证，通过三类算法实现热电子与加速电子的高精度区分，简化粒子分类。
2025-02-11 astro-ph.HE physics.comp-ph physics.plasm-ph
Accelerated Steady-State Electrostatic Particle-in-Cell Simulation of Langmuir Probes
第一性原理粒子模拟（PIC）是理解等离子体行为的有力工具，但这种能力往往需要大量的计算费用。牺牲性地降低离子/电子质量比是一种历史悠久的做法，以减少模拟成本。通常，这是一个严格的近似值。然而，对于稳态无碰撞的静电（弗拉索夫-泊松）系统，具有减少的质量比的解决方案可以缩放到真正的质量比的解决方案，没有近似。这种“缩放质量”的方法，它与现有的PIC代码，可以减少计算时间的一个大类的静电PIC模拟的质量比的平方根。所得到的稳定状态的粒子分布必须平凡地重新缩放以产生真实的分布，但是自洽的静电场与质量比无关。这种方法相当于“数值时间步长”，一种以不同时间步长演化电子和离子种群的方法。数值时步可以看作是速度限制PIC（SLPIC）方法的一种特殊情况，它不限于稳态现象。虽然标度质量方法是最简单的，但数值时间步长和SLPIC更容易推广到包括其他效应，如碰撞。这些新方法的等效性证明了应用它们来模拟一个圆柱形的朗缪尔探针在电子氩等离子体，加快模拟两个数量级。因此，SLPIC等方法可以在解释探测测量中发挥宝贵的作用，包括几何效应，碰撞，二次发射和非麦克斯韦分布。
2022-01-13 physics.comp-ph 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
A fully implicit electromagnetic energy- and charge-conserving PIC model for simulations of high-$β$ plasma
Novosibirsk State University（新西伯利亚国立大学）；Budker Institute of Nuclear Physics SB RAS（布杜克尔核物理研究所（俄罗斯科学院西伯利亚分院））
本文提出一种全隐式电磁PIC模型，用于高β等离子体模拟，在三维中可与半隐式方法竞争，并验证了其正确性与性能。
2026-09-24 physics.plasm-ph
Toward Realistic Solar Flare Models: An explicit Particle-In-Cell solver in the DISPATCH framework
本研究在DISPATCH框架内开发了显式Particle-In-Cell求解器，通过求解Vlasov-Maxwell方程模拟日冕小尺度动力学过程，为未来构建混合PIC-MHD太阳耀斑模拟器奠定基础。
2024-09-04 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
High-Resolution Particle-In-Cell Simulations of Two-Dimensional Bernstein-Greene-Kruskal Modes
本文通过高达2048^2网格的二维PIC模拟验证了二维BGK模式的解析稳态解，并发现其在强背景磁场下稳定、弱磁场下失稳，失稳表现为方位角静电波激发并演化为螺旋图案。
2023-11-15 astro-ph.GA physics.comp-ph physics.plasm-ph
JAX-in-Cell: A Differentiable Particle-in-Cell Code for Plasma Physics Applications
University of Wisconsin--Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
JAX-in-Cell 提供了一种基于 JAX 的可微 PIC 框架，用于等离子体物理中的高效计算与 AI 集成
2025-12-13 physics.plasm-ph
Particle Control in Phase Space by Global K-Means Clustering
我们设计并探索了一种迭代优化程序，通过合并和分裂计算宏粒子来控制粒子在细胞（PIC）代码中的粒子种群。我们的方法，是计算的全局粒子相空间结构的最佳表示，同时减少或增加整个粒子种群，基于k-均值聚类的数据。从本质上讲，该过程相当于通过统计手段合并或分裂粒子，在整个模拟体积中，同时最小化6维总距离测量以保持物理特性。粒子合并是迄今为止考虑物理守恒定律时要求最高的过程;它相当于粒子相空间数据的有损压缩。我们证明，我们的k均值方法保存能量和动量的高精度，即使是高压缩比，$\mathcal{R} \approx 3$- \emph{i.e.}，$N_{f} \lesssim 0.33N_{i}$。有趣的是，我们发现一个精确的粒子分裂步骤也可以使用k均值进行;这是从对称性的角度出发的。分裂的解决方案，使用k-means，最佳地放置分裂的粒子，以获得最大的相空间流形上的跨度。使用电磁PIC代码\ppcode完成实施和测试。尽管如此，k-means框架是通用的;它不限于Vlasov-Maxwell型PIC码。我们讨论了这种最佳相空间重构的优点和缺点。
2015-11-30 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.comp-ph
Modern Gyrokinetic Particle-In-Cell Simulation of Fusion Plasmas on Top Supercomputers
普林斯顿大学的Gyrokinetic Toroidal Code（GTC-P）是一种高度可扩展和可移植的粒子单元（PIC）代码。它解决了5D Vlasov-Poisson方程，具有在千万亿次及更高级别上有效利用现代并行计算机体系结构的特点。受开发能够以足够的分辨率处理增加问题大小的物理挑战的现代代码的目标的激励，引入了新的线程级优化以及关键的附加域分解。GTC-P的多级并行性，包括节点间2D区域分解和粒子分解，以及节点内共享内存分区和向量化，使PIC方法的可扩展性能够达到极端的计算规模。在本文中，我们描述了开发的方法，以建立一个高度并行的PIC代码在广泛的超级计算机设计。其中特别包括在使用NVIDIA GPU加速器和英特尔至强融核（MIC）协处理器的异构系统上的实现，以及与最先进的同构HPC系统（如Blue Gene/Q）的性能比较。磁聚变能源应用领域的新发现科学能力得以实现，包括对具有前所未有的空间分辨率和长时间持续时间的离子温度梯度（ITG）驱动湍流模拟的研究。多个超级计算系统跨越范围广泛的高速缓存容量，高速缓存共享配置，内存带宽，互连和网络拓扑结构进行了性能研究与现实的融合实验参数。这些性能比较使用现实的发现科学能力的领域应用程序代码提供了有价值的见解，优化技术在全球范围内最广泛的一组当前高端计算平台。
2015-10-19 cs.DC physics.comp-ph physics.plasm-ph
An implicit, conservative electrostatic particle-in-cell algorithm for paraxial magnetic nozzles
针对近轴磁喷管等离子体膨胀，提出一种精确守恒的隐式静电PIC算法，通过映射网格、降维速度空间、跨单元子步进及新型边界条件实现线性复杂度与显著加速。
2023-05-11 physics.plasm-ph
Dimensionality reduction of Poisson's equation with application to particle-in-cell simulations of Hall thrusters
在这篇文章中，我们介绍了一种新的降维制定的泊松方程的Vlasov-Poisson系统，产生一个降阶粒子在细胞计划。该方案允许显着减少霍尔推力器的自洽动力学模拟的计算成本。降维方法的制定，连同其验证一般泊松问题，提出。此外，我们展示了几个“准二维”轴向方位角模拟的结果，我们进行了一个完善的2D 3V参考情况下的条件。准二维模拟结果与参考例的比较表明，该方法能够准确地求解强等离子体参数的轴向分布。此外，从准二维模拟中观察到的方位不稳定性的特征被证明是密切符合文献中报道的。因此，降阶PIC方案被验证为一个可行的，低计算成本的替代传统的多维粒子模拟霍尔推力器。
2022-06-28 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Plasma turbulence at ion scales: a comparison between PIC and Eulerian hybrid-kinetic approaches
在过去的几十年里，人们通过数值模拟对磁化等离子体中的动力学范围湍流，特别是太阳风湍流进行了广泛的研究。其中，广泛采用的简化等离子体模型之一是所谓的混合动力学模型，其中离子是完全动力学的，电子被视为中和（惯性或无质量）流体。在同一模型中，采用了不同的数值方法和/或湍流发展方法。在目前的工作中，我们提出了一个二维的混合动力学模拟等离子体湍流之间的比较与两个互补的方法，跨越约二十年的波数-从磁流体惯性范围尺度远低于离子回旋半径-与国家的最先进的精度。一种方法采用混合粒子在细胞（HPIC）模拟的自由衰减Alfvénic湍流，而另一种方法由欧拉混合Vlasov-Maxwell（HVM）模拟的湍流连续驱动的部分可压缩的大尺度波动。尽管在大尺度上的初始化和注入/驱动完全不同，但在$k_\perpρ_i\gtrsim1$上观察到相同的湍流波动特性。该系统确实自洽地“再处理”湍流波动，而它们是级联向越来越小的尺度，在某种程度上，这实际上取决于等离子体β参数。对于$β\geq1$，小尺度湍流主要由动力学Alfvén波（KAW）波动填充，而对于低-$β$，KAW波动仅是次主导的。
2017-03-07 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Simplex-in-Cell Technique for Collisionless Plasma Simulations
我们将最近在无碰撞暗物质流体背景下引入的单胞（SIC）技术（Abel et al. 2012; Hahn et al. 2012）扩展到无碰撞等离子体的情况。六维相空间分布函数$f(\mathbf x,\mathbf v)$由三维流形的集合表示，我们称之为片。通过在均匀网格上求解泊松方程获得电势场，其中电荷密度通过相空间片的空间投影来计算。相空间密度的SIC表示有利于鲁棒性，高精度的数值演化的Vlasov-Poisson系统使用显着较少的示踪粒子比可比的粒子在细胞（PIC）的方法，通过减少与后者相关的数值散粒噪声。我们介绍了SIC制定和描述其实施在一个新的代码，我们验证使用标准的测试问题，包括等离子体振荡，朗道阻尼，和两个流的不稳定性在一维。新方案的优点是包括更高的精度和更快的收敛速度的粒子数。最后，我们激励和概述SIC高维问题的有效应用。
2015-06-23 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Simulation Models for Exploring Magnetic Reconnection
本文系统回顾了用于研究磁重联的多类模拟方法，涵盖 MHD、Hall MHD、混合模型、PIC、Vlasov 及 Rice 对流模型等，并说明其关键假设、数值技术与典型科学结果。
2024-06-09 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Comparison of multi-fluid moment models with Particle-in-Cell simulations of collisionless magnetic reconnection
在无碰撞磁重联的背景下，我们引入了一个可扩展的多流体矩模型。该模型演化完整的麦克斯韦方程组，并同时为每个物种在等离子体的弗拉索夫-麦克斯韦方程的时刻。电子惯性和压力梯度等效应自洽地嵌入到所得到的多流体矩方程中，而不需要显式地求解广义欧姆定律。两个限制的多流体矩模型进行了讨论，即，五个时刻的限制，每个物种的标量压力的演变，和十个时刻的限制，演变的全各向异性，非gyrotropic压力张量为每个物种。我们首先证明，分析和数值，五矩模型减少到广泛使用的霍尔磁流体力学（霍尔MHD）模型的假设下消失的电子惯性，无限的光速，和准中性。然后，我们比较了十矩和完全动力学粒子在细胞（PIC）模拟的大规模哈里斯片重联问题，其中十矩方程封闭的局部线性无碰撞近似的热通量。十矩模拟给出了合理的协议与PIC结果的结构和大小的电子流，极性和大小的电子压力张量的元素，和广义欧姆定律的分解。本文还讨论了改进简单局部封闭向非局部全三维封闭的可能途径。
2014-10-02 physics.plasm-ph physics.space-ph
Particle-In-Cell Informed Kinetic Modeling of Nonlinear Skin Effects in Low-Frequency Inductively Coupled Plasmas
本研究通过二维PIC模拟发现低频ICP中电子在RF磁场中的非线性运动，并发展新动力学理论及全局模型耦合方法，准确预测电子电流、温度与密度。
2025-09-09 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
