[論文レビュー] User Guide for the Discrete Dipole Approximation Code DDSCAT 6.1

B. T. Draine, Piotr J. Flatau|ArXiv.org|Sep 10, 2004

ZnO doping and properties参考文献 1被引用数 31

ひとこと要約

本稿では、任意の形状の粒子および周期的ナノ構造の電磁散乱および吸収を計算するために離散双極子近似（DDA）を用いる、自由に利用可能なオープンソースのFortran-90コードであるDDSCAT 7.0を提示する。サイズパラメータが25未満で、屈折率が1から大きく離れない場合に高精度なシミュレーションが可能であり、MPI、OpenMP、MKL、およびDDfield後処理を用いた近接場E/B場の計算といった高度な機能をサポートする。

ABSTRACT

DDSCAT 6.1 is a software package which applies the discrete dipole approximation (DDA) to calculate scattering and absorption of electromagnetic waves by targets with arbitrary geometries and complex refractive index. DDSCAT 6.1 allows accurate calculations of electromagnetic scattering from targets with size parameters 2 pi a_eff/lambda < 15 provided the refractive index m is not large compared to unity (|m-1| < 2). DDSCAT 6.1 includes support for MPI and FFTW. We also make available a "plain" distribution of DDSCAT 6.1 that does not include support for MPI, FFTW, or netCDF, but is much simpler to install than the full distribution. The DDSCAT package is written in Fortran and is highly portable. The program supports calculations for a variety of target geometries (e.g., ellipsoids, regular tetrahedra, rectangular solids, finite cylinders, hexagonal prisms, etc.). Target materials may be both inhomogeneous and anisotropic. It is straightforward for the user to import arbitrary target geometries into the code, and relatively straightforward to add new target generation capability to the package. DDSCAT automatically calculates total cross sections for absorption and scattering and selected elements of the Mueller scattering intensity matrix for specified orientation of the target relative to the incident wave, and for specified scattering directions.

研究の動機と目的

• DDSCAT 7.0の包括的なユーザーガイドを提供すること。DDSCAT 7.0は、電磁散乱計算に離散双極子近似（DDA）を実装したオープンソースのソフトウェアパッケージである。
• サイズパラメータ≤25の任意の形状の粒子、非均質および異方性材料を含む、高精度な散乱および吸収のモデル化を可能にすること。
• 1次元および2次元の周期的アレイおよび近接場電磁場のシミュレーションを、MPI、OpenMP、Intel MKLといった高度な計算機能を用いてサポートすること。
• 方位平均および場の後処理を用いて、散乱断面積、ムーアー行列要素、放射力の正確な計算を可能にすること。
• ユーザーがカスタム幾何形状をインポートし、新しいターゲット生成ルーチンを追加できる、標準的で拡張可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• 離散双極子近似（DDA）は、ターゲットを極性を持つ双極子の格子に離散化し、共役勾配法などの反復解法を用いて結合双極子方程式を解く。
• 反復解法における行列・ベクトル乗算を高速化するために、FFT（高速フーリエ変換）が使用され、FFTWやIntel MKLを含む複数のFFTライブラリをサポートする。
• 周期的構造の場合、長距離双極子-双極子相互作用を処理するために、Ewald和の技法を用いた周期的境界条件（PBC）が適用される。
• ユーザーはパラメータファイル（ddscat.par）を用いて、双極子の位置、材料、方位、入射波パラメータを指定して、ターゲットの幾何形状と組成を定義する。
• 遠方場および近接場の計算を組み合わせることで、散乱および吸収断面積、ムーアー行列要素、放射力が計算される。
• DDfieldコードを用いた後処理により、ターゲット周辺のユーザー指定位置における電場および磁場が計算可能で、詳細な場の解析が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意の粒子幾何形状を対象とした、並列処理可能でポータブルかつ拡張可能なソフトウェアパッケージとして、離散双極子近似をどのように効率的に実装できるか。
• RQ2 現代のHPCアーキテクチャ上で、大規模な双極子相互作用系を高精度かつ高性能に解く最適な計算戦略は何か。
• RQ3 DDAをどのように拡張して、ナノ構造の周期的アレイをモデル化し、近接場電磁強度を計算できるか。
• RQ4 複雑な屈折率を有するターゲットおよび異方性材料に対して、DDAの精度と適用範囲の限界は何か。
• RQ5 ユーザーは、マルチレイヤー構造や複合構造を含む、複雑なターゲット幾何形状を信頼性高く生成およびインポートするにはどうすればよいか。

主な発見

• DDSCAT 7.0は、サイズパラメータが25未満で、|m−1| ≤ 2を満たす屈折率のターゲットに対して、高精度な電磁散乱および吸収計算を可能にする。
• MPIおよびOpenMPによる並列実行が可能であり、Intel MKLを活用して線形代数演算を最適化することで、マルチコアおよびクラスタ環境での性能が顕著に向上する。
• DDfield後処理モジュールの導入により、ターゲット周辺の任意のユーザー指定位置における電場および磁場を計算可能となり、詳細な近接場解析が可能となる。
• 組み込みジェネレータおよびユーザー定義入力ファイルを用いて、楕円体、円柱、角柱、マルチレイヤースラブ、複雑な複合体など、広範なターゲット幾何形状をサポートする。
• パrameterファイルddscat.parにより、入射波の偏光、散乱方向、出力オプションを柔軟に設定でき、ランダムに配向した粒子のための方位平均も可能である。
• 解析的解および既知の発表済み結果との比較により、コードの妥当性が検証されており、既知の問題は公式DDSCATウェブサイトで文書化・更新されている。