[論文レビュー] Particle-In-Cell Modeling of Plasma-Based Accelerators in Two and Three Dimensions

R. G. Hemker|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2015

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 57被引用数 32

ひとこと要約

本稿では、2次元および3次元直角座標および円筒座標系におけるプラズマベース加速器のシミュレーションを目的とした、オブジェクト指向で完全な電磁気的粒子-場（PIC）コードであるOSIRISを提示する。このコードは、レーザー覚醒場やプラズマ覚醒場加速の高精度なモデリングを可能にし、動的シミュレーション領域や並列ドメイン分割といった高度な数値技術を用いて、電子捕獲、ビームダイナミクス、レーザー-プラズマ相互作用の安定的かつ正確なシミュレーションを実現する。

ABSTRACT

In this dissertation, a fully object-oriented, fully relativistic, multi-dimensional Particle-In-Cell code was developed and applied to answer key questions in plasma-based accelerator research. The simulations increase the understanding of the processes in laser plasma and beam-plasma interaction, allow for comparison with experiments, and motivate the development of theoretical models. The simulations support the idea that the injection of electrons in a plasma wave by using a transversely propagating laser pulse is possible. The beam parameters of the injected electrons found in the simulations compare reasonably with beams produced by conventional methods and therefore laser injection is an interesting concept for future plasma-based accelerators. Simulations of the optical guiding of a laser wakefield driver in a parabolic plasma channel support the idea that electrons can be accelerated over distances much longer than the Rayleigh length in a channel. Simulations of plasma wakefield acceleration in the nonlinear blowout regime give a detailed picture of of the highly nonlinear processes involved. Using OSIRIS, we have also been able to perform full scale simulations of the E-157 experiment at the Stanford Linear Accelerator Center. These simulations have aided the experimentalists and they have assisted in the development of a theoretical model that is able to reproduce some important aspects of the full PIC simulations. Update (2015): This dissertation was originally written in 2000. I am making it now available on arXiv with the hope that some its content might proof useful to the users of the OSIRIS code which has continued to be utilized by a number of research groups since it was originally written as part of the research presented in this dissertation.

研究の動機と目的

• 高精度で拡張性の高い、スケーラブルなオブジェクト指向PICシミュレーションフレームワークを、プラズマベース加速器のモデリングに向け開発すること。
• 直角座標系および軸対称な円筒座標系の両方において、2次元および3次元のレーザー覚醒場およびプラズマ覚醒場加速のシミュレーションを可能にすること。
• 長時間にわたる大規模なプラズマ相互作用を効率的にモデリングするため、動的シミュレーション領域および移動境界を実装すること。
• 高度な電流および電荷デポジション手法を用いて、多次元で完全な電磁気的シミュレーションを実現すること。
• 今後の高度なプラズマ加速技術の研究を支援するため、モジュラーで拡張可能なコードベースを提供すること。

提案手法

• E、B、j、ρの各場のステaggered Yee型グリッドを用いた、相対論的で明示的な完全電磁気的PICアルゴリズムの実装。
• 2次元および3次元のシミュレーションにおいて、正確で安定した電流デポジションを実現するため、ISISおよびTRISTAN法を採用。
• 可変次元の場のオブジェクトと動的シミュレーション領域を設計し、移動ウィンドウおよび適応的ドメイン分割を可能にする。
• 並列化のためのグローバル-ローカルオブジェクトモデルを採用し、複数プロセッサ間でのドメイン分割と動的境界処理を実現。
• 複雑なプラズマシミュレーションコードにおけるモularity、拡張性、保守性を高めるために、オブジェクト指向設計原則を統合。
• 入力ファイル駆動の設定を採用し、レーザーパルス、平滑化、診断、シミュレーション設定の構造化されたパrameterを提供。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元および3次元の幾何構造において、プラズマベース加速器を効率的にシミュレートできるオブジェクト指向PICコードは、どのように設計すべきか？
• RQ2 多次元PICシミュレーションにおいて、電流および電荷デポジションの最適な数値技術は何か？ これにより、安定性と精度を確保できるか？
• RQ3 動的シミュレーション領域および移動境界をどのように実装すれば、計算コストを著しく増大させることなく、長時間にわたるプラズマ相互作用をモデリングできるか？
• RQ4 レーザー覚醒場およびプラズマ覚醒場加速器における電子捕獲およびビーム品質を支配する主要な物理的メカニズムは何か？
• RQ5 OSIRISコードの性能およびスケーラビリティは、異なる幾何構造および問題サイズにおいてどのように比較されるか？

主な発見

• OSIRISは、解析モデルおよび以前のシミュレーションと良好に一致する高精度な電子捕獲のシミュレーションを、レーザー覚醒場加速器で実現した。
• プラズマ覚醒場加速のブロー・アウト状態における3次元直角座標系のシミュレーションは、正規化発散およびエネルギー分散が理論的予測と整合する安定的かつ自己自己整合的な電子ビーム生成を示した。
• 複数のレーザービーム注入の2次元および3次元シミュレーションでは、駆動パルスと注入パルスの最適なタイミングと空間的重ね合わせが、電子ビーム品質の向上に寄与することが示された。
• 反復的平滑化と重み係数を用いた高度な電流デポジションおよび平滑化技術のおかげで、長時間にわたるシミュレーションにおいても数値的安定性を維持した。
• 動的シミュレーション領域により、関連するプラズマ構造を追跡する移動ウィンドウを可能にし、長時間プロセスの効率的モデリングが実現され、計算コストが削減された。
• オブジェクト指向設計のおかげで、モジュラーで保守可能かつ拡張可能なシミュレーションが実現され、今後の新しいプラズマ加速技術の概念への拡張を支援した。