全三維電磁粒子模擬軟件CHIPIC3D研制
全三維粒子模擬軟件CHIPIC是國家*63計劃*03主題支持項目“***粒子模擬軟件研發”的主要研究內容,其研究目的是在堅實理論基礎指導下,深入開展強波粒相互作用理論及HPM和HPMM相關理論研究,建立強流相對論互作用的理論體系,為高功率微波器件理論研究提供一款實用的粒子模擬軟件。 因為粒子模擬軟件在軍事領域有重大應用價值,國外的一些先進粒子模擬軟件對我國是禁運的(如美國的MAGIC),從而一些內部技術對我國也是封閉的。本軟件是完全依靠國內的自身條件研制完成的,是具有完全知識產權的軟件。由本軟件運算的準確性(與國外軟件比較驗證)可以證明本成果使用的技術線路是完全可與國外軟件媲美的。 該項目完成了三維電磁粒子模擬理論與算法、軟件設計、軟件測試等研究內容,突破了高效并行計算、大尺度結構建模、三維PIC/MCC混合算法等關鍵技術,設計了友好的圖形化輸入界面及多窗口輸出界面,形成了功能完整的CHIPIC3D模擬軟件。并最終應用于對高功率微波源、真空電子學太赫茲源、脈沖功率真空器件等進行三維粒子模擬。 該項目主要技術指標如下:1.CHIPIC3D全三維電磁粒子模擬軟件在直角及圓柱坐標系下實現了三維FDTD及粒子算法,能對各種對稱、非對稱結構的高功率微波源及太赫茲波源器件進行三維粒子模擬,模擬結果與實驗吻合。2.采用基于消息交換與共享內存相結合的并行計算方法,使加速比達到30以上;3.采用分段建模并行計算的方法,能對30米以上大尺度精細結構進行三維粒子建模及模擬;4.將蒙特卡洛及Vaughan模型算法應用于三維粒子模擬軟件,使其能模擬介質表面二次電子倍增、氣體放電及介質表面擊穿等復雜物理問題;5.采取面向對象的方法,能提供友好的圖形化的輸入界面及多窗口輸出界面。 目前該軟件已在中國工程物理研究院流體物理研究所、中國工程物理研究院應用電子學研究所、北京應用物理與計算數學研究所、國營第七七二廠、四川大學電子信息學院、西南交通大學等單位應用。從軍事應用角度來看,該軟件將縮短我國高功率微波源的研究周期,從而加快我國軍隊相關武器裝備的研究進程;從經濟效益角度來看,該軟件避免了大量的重復加工及重復試驗,節約了大量的人力物力,從而為用戶單位帶來巨大的經濟效益。
電子科技大學
2021-04-10