专利名称：一种微波部件二次电子倍增仿真中粒子合并方法
技术领域：
本发明涉及空间特殊效应应用领域，尤其涉及一种微波部件二次电子倍增仿真中粒子合并方法。
背景技术：
在真空或低气压工作环境下，电子在微波部件电磁场作用下获得加速，对于大功率微波部件而言，若电子获得的能量足以发生二次电子发射且二次电子在微波部件内表面之间的渡越时间等于电磁场射频周期的奇数倍，电子数目呈雪崩式增长，导致二次电子倍增效应，使得微波部件信号恶化，甚至造成部件永久性损坏。为了克服微波部件二次电子倍增三维仿真过程中由于粒子(电子的数值模型)数目雪崩式增长导致的计算量急剧增加对数值模拟精度与二次电子倍增完整物理过程的数 值模拟造成限制，亟需进行粒子合并，使得粒子数目减少、计算规模降低、有效提高仿真效率。为保证合并前后粒子模拟结果的准确性，在合并过程中应当尽量保证以下条件合并前后相关粒子对于网格节点的贡献一致(合并前后两组粒子分配节点的电荷守恒、合并前后两组粒子的总动量守恒、合并前后两组粒子的总动能守恒)与合并前后相关粒子具有相同的相空间分布。最早的粒子合并方法russian roulette方法基于蒙特卡洛数值模拟进行。先定义一个存活率Ps (Ps = N’ /N),当粒子数达到一个阈值N时,遍历这N个粒子,对于每个粒子，生成一个随机数R，比较R和Ps，当R < Ps时，保留该粒子，否则删除该粒子。然后将所得的N’个粒子，质量IV和电荷量%'变为原来的2倍,mp, = 2mp, qp, = 2qp。该方法具有很大的随机性，当粒子数目较少时，合并前后误差较大。Lapenta提出选取在相空间中状态相近的粒子进行合并。选取两个在相空间中位置接近的粒子，qp，&， Ρ，Ρ = {1，2}。然后将这两个粒子合并为一个粒子Α，使A的电荷qA=Qjq2，位置I =Cq1X^q2XjZqA，速度^ =汍孓+ Q2W Qa。该方法合并后的粒子呈现在合并前的粒子的重心的位置，多次合并后粒子向网格中心聚拢，在合并前后相空间分布一致性的要求上的没有很好地满足，对网格节点的电荷贡献误差较大。之后,Grasso和Frignani等人提出了一种命名为分层聚合的粒子合并方法,这种方法能够精确的保证网格节点电荷守恒，但是合并方法过于繁琐和复杂，难以扩展到3维粒子模拟过程中。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种粒子合并方法，有效降低微波部件二次电子倍增效应三维数值仿真的计算规模，并在保证合并前后相关粒子对于网格节点的贡献一致和相空间分布一致的如提下，大幅度提闻计算效率。本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的I、一种微波部件二次电子倍增仿真中粒子合并方法，其特征在于包括下列步骤
(I)建立微波部件的三维几何模型，建立粒子模拟区域，所述粒子模拟区域为微波部件内部中空部分，将微波部件三维几何模型与粒子模拟区域剖分成若干个六面体网格，粒子随机分布在粒子模拟区域对应的六面体网格中，对应每一个六面体网格分别建立粒子链表，存储位于其中的粒子的质量、电荷量、位移与速度；(2)确定进行粒子合并的阈值，所述阈值包括粒子模拟区域中总粒子数目的阈值
N1;(3)当粒子模拟区域中总粒子数目大于阈值N1时进行粒子合并，每一个六面体网格内粒子合并的方法为(3. I)将六面体网格的三维速度相空间按照直角坐标系分为多个象限，对每个象限建立临时链表；
(3.2)遍历六面体网格中的每个粒子，将六面体网格中的粒子划分到步骤(3. I)所形成的多个象限中，在相应的临时链表内存储粒子的质量、电荷量、位移与速度；(3.3)每个临时链表中的粒子按照能量从大到小排序，每四个粒子分为一个集合；(3. 4)将集合内的四个粒子合并为两个粒子；(3. 5)临时链表中按四个粒子分配后剩余的粒子形成一个剩余集合，若剩余集合中余一个粒子，则直接将该粒子删掉；若余三个粒子则补一个与剩余集合中最后一个粒子质量、电荷量、位移与速度完全相同的粒子，形成补偿后的四个粒子，再将所述补偿后的四个粒子按步骤(3. 4)合并为两个粒子；若剩余集合中余两个粒子，则将两个粒子合并为一个粒子，合并后粒子质量和电荷量加倍，速度为合并前两个粒子的平均速度，位移为合并前两个粒子的平均位移；(3.6)采用合并后的粒子更新临时链表，采用临时链表更新其所对应的六面体网格的粒子链表，完成粒子合并。所述步骤⑵中粒子模拟区域中总粒子数目的阈值N1设为107。所述步骤(3. 4)中四个粒子合并为两个粒子后，合并后两个粒子的质量、电荷量、速度与位移的确定方法如下设合并前四个粒子的速度分量分别为m V2X, V2y, V2z, m V4x, V4y,V4z，质量为m，电荷量为q，则四个粒子速度的平均值为Vcmx= (Vlx+V2x+V3x+V4x)/4,Vcmy = (Vly+V2y+V3y+V4y)/4,Vcmz= (Vlz+V2a+V3z+V4z)/4,合并后两个粒子中每一个粒子质量变为2m，电荷量变为2q ；合并后两个粒子的速度分量分别为V5x、V5y、V5z, V6x、V6y、V6z,算户V5x = Vcmx—a、V6x = Vcmx+a、V5y = Vcmy—b、V6y = Vcmy+b、V5z = Vcmz—c、V6z=Vcmz+c，a =备C (V,l +V2I +V3I +V4I)-V2CWX = J-xiy.l+K+K+ V；y)-V2cmy ,
权利要求
1.一种微波部件二次电子倍增仿真中粒子合并方法，其特征在于包括下列步骤 (1)建立微波部件的三维几何模型，建立粒子模拟区域，所述粒子模拟区域为微波部件内部中空部分，将微波部件三维几何模型与粒子模拟区域剖分成若干个六面体网格，粒子随机分布在粒子模拟区域对应的六面体网格中，对应每一个六面体网格分别建立粒子链表，存储位于其中的粒子的质量、电荷量、位移与速度； (2)确定进行粒子合并的阈值，所述阈值包括粒子模拟区域中总粒子数目的阈值N1； (3)当粒子模拟区域中总粒子数目大于阈值N1时进行粒子合并，每一个六面体网格内粒子合并的方法为 (3. I)将六面体网格的三维速度相空间按照直角坐标系分为多个象限，对每个象限建立临时链表； (3. 2)遍历六面体网格中的每个粒子，将六面体网格中的粒子划分到步骤(3. I)所形成的多个象限中，在相应的临时链表内存储粒子的质量、电荷量、位移与速度； (3. 3)每个临时链表中的粒子按照能量从大到小排序，每四个粒子分为一个集合； (3. 4)将集合内的四个粒子合并为两个粒子； (3. 5)临时链表中按四个粒子分配后剩余的粒子形成一个剩余集合，若剩余集合中余一个粒子，则直接将该粒子删掉；若余三个粒子则补一个与剩余集合中最后一个粒子质量、电荷量、位移与速度完全相同的粒子，形成补偿后的四个粒子，再将所述补偿后的四个粒子按步骤(3. 4)合并为两个粒子；若剩余集合中余两个粒子，则将两个粒子合并为一个粒子，合并后粒子质量和电荷量加倍，速度为合并前两个粒子的平均速度，位移为合并前两个粒子的平均位移； (3. 6)采用合并后的粒子更新临时链表，采用临时链表更新其所对应的六面体网格的粒子链表，完成粒子合并。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述步骤(2)中粒子模拟区域中总粒子数目的阈值N1设为107。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述步骤(3.4)中四个粒子合并为两个粒子后，合并后两个粒子的质量、电荷量、速度与位移的确定方法如下设合并前四个粒子的速度分量分别为Vlx、Vly、Vlz, v2x、v2y、V2z, v3x、v3y、V3z, v4x、v4y、V4z,质量为m,电荷量为q, 则四个粒子速度的平均值为 Vcmx= (Vlx+V2x+V3x+V4x) /4, Vcmy = (Vly+V2y+V3y+V4y) /4, Vcmz = (Vlz+V2z+V3z+V4z) /4, 合并后两个粒子中每一个粒子质量变为2m，电荷量变为2q ； 合并后两个粒子的速度分量分别为V5x、V5y, V5z, V6x、V6y、V6z,其中 V5X = Vcmx—a、V6x = Vcmx+a、V5y = Vcmy_b、V6y = Vcmy+b、V5z = Vcmz_c、V6z =Vcmz+c,
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述步骤(3.I)中多个象限为八个象限，分别对应于(Vx > O, Vy > O，Vz > O)、(Vx < O, Vy > O，Vz > O)、(Vx > O, Vy < O，Vz > O)、(Vx < O, Vy < O，Vz > O)、(Vx > O, Vy > O，Vz < O)、(Vx < O, Vy > O，Vz < O)、(Vx > O，Vy< O，Vz < O)、(Vx < O，Vy < O，Vz < O)，其中 Vx、Vy、Vz 为速度分量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述多个象限替换为8*R个象限；将所述八个象限中的每个象限分别再划分为R个象限，R为大于等于2的整数。
全文摘要
本发明涉及一种微波部件二次电子倍增仿真中粒子合并方法，首先建立微波部件的三维几何模型并建立粒子模拟区域进行二次电子倍增效应数值模拟，然后设置粒子合并阈值并在粒子模拟区域的总粒子数目大于粒子合并阈值后进行粒子合并，通过将粒子按照速度相空间进行分类并按能量大小每四个粒子分为一个集合，在每个集合中将四个粒子合并为两个，并对剩余粒子进行补偿实现粒子模拟区域所有粒子的合并。本发明方法保证了合并前后粒子能量守恒与相空间分布一致，可在微波部件二次电子倍增仿真中多次应用，实现计算效率的成倍提高，非常适用于在一定硬件条件下大幅度提高大功率微波部件微放电、低气压放电数值分析效率。
文档编号G06T17/10GK102930102SQ20121043360
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者崔万照, 李韵, 王新波, 王洪广 申请人:西安空间无线电技术研究所