[发明专利]基于Takizuba和Abe模型的碰撞对选择方法

说明书

技术领域

本发明属于粒子模拟技术领域，具体涉及一种简单快速地实现Takizuba和Abe模型碰撞对的选择方法。

背景技术

惯性约束聚变是目前实现可控热核聚变的方式之一，其特点是将聚变燃料压缩聚集到高密度并使之在小于惯性约束时间(即靶丸解体时间)内完成聚变反应。

实现惯性约束聚变通常有两种方式，即“中心点火”与“快点火”。“中心点火”通过用多束激光直接或间接地辐照靶丸，将氘氚靶丸均匀向心压缩、加热而产生中心热斑来实现。“中心点火”方式对激光辐照的球对称性和均匀性有极高的要求。“快点火”则是在聚变燃料被均匀压缩到最大密度时，将一束超短脉冲强激光聚焦在靶丸表面，极高的有质动力在靶丸表面等离子体的临界密度面上“打洞”，并将临界密度面压向靶芯的高密核。在这个过程中产生的大量MeV能量的超热电子穿透临界密度面射入高密核，使离子温度迅速升温至点火所要求的高温并实现快速点火。与中心点火方式相比，快点火的主要特点是可以将热核燃料靶丸的高密度压缩和点火分开设计，从而更易于实现惯性约束聚变，因此使得“快点火”方式及其相关研究成为当前惯性约束聚变研究的热点。

“快点火”过程非常复杂，主要包括三个环节：靶丸预压缩、超强激光的传输与超热电子的产生、超热电子的传输及点火。“快点火”过程的模拟常采用粒子模拟(Particle-in-cell，PIC)方法，并假设粒子初始速度为零，光离化及碰撞离化产生的粒子速度等于产生它们的原子或离子的速度。在该假设下，如果忽略库仑碰撞，PIC模拟中的粒子将很难在短时间内达到平衡。当模拟激光与高密度等离子体相互作用时，忽略库仑碰撞还会导致模拟结果与实际情况出现偏差。因此，在应用PIC方法模拟“快点火”过程时，必须引入库仑碰撞。

目前，在PIC模拟中，主要采用科学家Takizuba和Abe提出的库仑碰撞对选择方法来考虑库仑碰撞。该方法被称为Takizuba和Abe方法，简称TA模型。TA模型在每个时间步长仅对处于同一个网格内的粒子进行库仑碰撞处理。对一个网格内粒子，TA模型首先对每一同种粒子(同种元素同价态的粒子)分别随机排序，然后对各同种粒子以及各同种粒子两两之间(异种粒子)分别选择碰撞对。碰撞对的选择具体分三种情况：同种粒子偶数碰撞对(以下简称偶数碰撞对)、同种粒子奇数碰撞对(以下简称奇数碰撞对)和异种粒子碰撞对。对于偶数碰撞对，只需将相邻的两个粒子组成碰撞对进行库仑碰撞处理，如图1(a)所示。对于奇数碰撞对，首先将前3个粒子两两循环碰撞，剩余粒子取相邻两个粒子组成碰撞对即可，如图1(b)所示。对于已经完成随机排序的同种粒子两两之间进行异种粒子碰撞对处理，首先需要计算分组。将两种粒子分别记为A，B，对应粒子数为N_a和N_b。假定N_a大于等于N_b，N_a/N_b＝i+r(0≤r＜1，i为正整数)，则按如下规则进行分组与库仑碰撞处理。前(i+1)*rN_b个A粒子和前rN_b个B粒子为第一组；后i*(1-r)*N_b个A粒子和(1-r)*N_b个B粒子为第二组。显然，第一组中A粒子数是B粒子数的i+1倍，第二组中A粒子数是B粒子数的i倍。然后，将第一组中的每i+1个A粒子依次与每个B粒子组成碰撞对，共(i+1)*rN_b个碰撞对；将第二组中的每i个A粒子依次与每个B粒子成碰撞对，共i*(1-r)*N_b个碰撞对，总的碰撞对数目等于N_a。异种粒子碰撞对的处理如图1(c)所示。TA模型碰撞对选择的流程图如图2所示。

从TA模型碰撞对选择的过程可以知道，直接使用TA模型主要存在如下两方面不足。首先，TA模型需要对每种粒子进行随机排序，并且在对粒子进行碰撞对选择及处理后需要还原粒子的顺序，这个过程会产生很大的计算量，特别是当模拟粒子数目比较多时，计算负担急剧增加；另一方面，TA模型中碰撞对的选择分偶数碰撞对、奇数碰撞对及异种碰撞对三种情况分别进行处理，由于粒子个数和种类的限制，对奇数碰撞对和异种粒子碰撞对的处理比较复杂。

发明内容

本发明的目的是为了克服TA模型存在的上述问题，提出了一种基于Takizuba和Abe模型的碰撞对选择方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于Takizuba和Abe模型的碰撞对选择方法，包括以下步骤：