[논문 리뷰] Particle-In-Cell Modeling of Plasma-Based Accelerators in Two and Three Dimensions

R. G. Hemker|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 01.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics참고 문헌 57인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 2D 및 3D 카르테시안 및 원통좌표계에서 플라즈마 기반 가속기를 시뮬레이션하기 위한 객체지향적이고 완전히 전자기적 입자-격자(PIC) 코드인 OSIRIS를 제시한다. 이는 레이저 웨이브필드 및 플라즈마 웨이브필드 가속을 고정밀도로 모델링할 수 있게 하며, 동적 시뮬레이션 공간 및 병렬 도메인 분할과 같은 고급 수치 기법을 통해 전자 포획, 비드라인 역학, 레이저-플라즈마 상호작용의 안정적이고 정확한 시뮬레이션을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고정밀도와 확장 가능성을 갖춘 플라즈마 기반 가속기를 모델링하기 위한 확장 가능한 객체지향 PIC 시뮬레이션 프레임워크를 개발하기 위해.
• 카르테시안 및 원통대칭 기하구조에서 2D 및 3D 레이저 웨이브필드 및 플라즈마 웨이브필드 가속을 위한 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.
• 장기간의 대규모 플라즈마 상호작용을 효율적으로 모델링하기 위해 동적 시뮬레이션 공간 및 이동 경계를 구현하기 위해.
• 고급 전류 및 전하 침식 기법을 사용한 다차원, 완전한 전자기적 시뮬레이션을 지원하기 위해.
• 미래의 고급 플라즈마 가속 개념 연구를 위한 모듈식이고 확장 가능한 코드베이스를 제공하기 위해.

제안 방법

• E, B, j, ρ 필드에 대해 격자형으로 배열된 양자화된 Yee 유사 격자 기반의 완전한 전자기적, 상대론적, 명시적 PIC 알고리즘의 구현.
• 2D 및 3D 시뮬레이션에서 정확하고 안정적인 전류 침식을 위해 ISIS 및 TRISTAN 전류 침식 방법의 사용.
• 이동 창과 적응형 도메인 분할을 가능하게 하기 위해 가변 차원의 필드 객체 및 동적 시뮬레이션 공간의 설계.
• 병렬 처리를 위한 글로벌-로컬 객체 모델의 채택으로, 여러 프로세서에 걸친 도메인 분할 및 동적 경계 처리를 수행.
• 복잡한 플라즈마 시뮬레이션 코드에서 모듈성, 확장성, 유지보수성을 지원하기 위해 객체지향 설계 원칙의 통합.
• 레이저 펄스, 스무딩, 진단, 시뮬레이션 설정 등의 구조적 매개변수를 갖춘 입력 파일 기반 설정의 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 객체지향적 PIC 코드를 설계하여 2D 및 3D 기하구조에서 플라즈마 기반 가속기를 효율적으로 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 다차원 PIC 시뮬레이션에서 전류 및 전하 침식을 위한 최적의 수치 기법은 무엇이며, 안정성과 정확성을 보장하는가?
• RQ3 장기간의 플라즈마 상호작용을 모델링하기 위해 동적 시뮬레이션 공간과 이동 경계를 어떻게 구현할 수 있는가? 이는 과도한 계산 비용 없이도 가능할까?
• RQ4 레이저 웨이브필드 및 플라즈마 웨이브필드 가속기에서 전자 포획 및 비드라인 품질을 결정짓는 핵심 물리 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 OSIRIS 코드의 성능 및 확장성은 다양한 기하구조와 문제 크기에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• OSIRIS는 분석 모델과 이전 시뮬레이션과의 양호한 일치를 보이며, 레이저 웨이브필드 가속기에서 전자의 포획을 고정밀도로 성공적으로 시뮬레이션하였다.
• 플라즈마 웨이브필드 가속의 블로우아웃 영역에 대한 3D 카르테시안 시뮬레이션은 정규화된 에미ittance 및 에너지 분포가 이론적 기대와 일치하는 안정적이고 자기 일관성 있는 전자 비드라인 생성을 보여주었다.
• 다중 레이저 빔 주입의 2D 및 3D 시뮬레이션은 드라이브 펄스와 주입 펄스의 최적 시기 및 공간적 오버랩이 전자 비드라인 품질을 향상시킴을 보여주었다.
• 반복 스무딩 및 가중치 요소를 포함한 고급 전류 침식 및 스무딩 기법 덕분에 장기간의 시뮬레이션 동안 수치적 안정성이 유지되었다.
• 동적 시뮬레이션 공간은 관련 플라즈마 구조를 따라 이동하는 창을 허용함으로써 장기간의 과정을 효율적으로 모델링할 수 있게 하여 계산 비용을 감소시켰다.
• 객체지향 설계 덕분에 모듈식이고 유지보수성 및 확장성이 뛰어난 시뮬레이션을 가능하게 하여, 향후 새로운 플라즈마 가속 개념에 대한 확장도 지원한다.