《一种微波部件二次电子倍增仿真中粒子合并方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种微波部件二次电子倍增仿真中粒子合并方法.pdf（11页完整版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 102930102 A (43)申请公布日 2013.02.13 C N 1 0 2 9 3 0 1 0 2 A *CN102930102A* (21)申请号 201210433605.0 (22)申请日 2012.10.31 G06F 17/50(2006.01) G06T 17/10(2006.01) (71)申请人西安空间无线电技术研究所 地址 710100 陕西省西安市长安区西街150 号 (72)发明人崔万照 李韵 王新波 王洪广 (74)专利代理机构中国航天科技专利中心 11009 代理人褚鹏蛟 (54) 发明名称 一种微波部件二次电子倍增仿真中粒子合并 。
2、方法 (57) 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。
3、数值分析效率。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 3 页 1/2页 2 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。
4、阈值包括粒子模拟区域中总粒子数目的阈值N 1 ； (3)当粒子模拟区域中总粒子数目大于阈值N 1 时进行粒子合并，每一个六面体网格内 粒子合并的方法为： (3.1)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(3.1)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。
5、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1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N 1 设为10 7 。 3.根据权利要求1所述的。
6、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V 1x 、V 1y 、V 1z ，V 2x 、V 2y 、V 2z ，V 3x 、V 3y 、V 3z ，V 4x 、V 4y 、V 4z ， 质量为m，电荷量为q， 则四个粒子速度的平均值为： Vcmx(V 1x +V 2x +V 3x +V 4x )/4， Vcmy(V 1y +V 2y +V 3y +V 4y )/4， Vcmz(V 1z +V 2z +V 3z +V 4z )/4， 合并后两个粒子中每一个粒子质量变为2m，电荷量变。
7、为2q； 合并后两个粒子的速度分量分别为V 5x 、V 5y 、V 5z ，V 6x 、V 6y 、V 6z ， 其中V 5x Vcmx-a、V 6x Vcmx+a、V 5y Vcmy-b、V 6y Vcmy+b、V 5z Vcmz-c、V 6z Vcmz+c， 权 利 要 求 书CN 102930102 A 2/2页 3 合并后两个粒子的位移分别设置为合并前集合中奇数位或偶数位的两个粒子的位移。 4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3.1)中多个象限为八个象限， 分别对应于(V x 0，V y 0，V z 0)、(V x 0，V y 0，V z 0)、(V x 0，V y 0。
8、，V z 0)、 (V x 0，V y 0，V z 0)、(V x 0，V y 0，V z 0)、(V x 0，V y 0，V z 0)、(V x 0，V y 0，V z 0)、(V x 0，V y 0，V z 0)，其中V x 、V y 、V z 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。 权 利 要 求 书CN 102930102 A 1/5页 4 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 0001 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。
9、增仿真中 粒子合并方法。 背景技术 0002 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。 0003 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。
10、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。 0004 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p s (p s 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p s ，当Rp s 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m p 和电荷量q p 变为原来的2倍，m p 2m p ，q 。
11、p 2q p 。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。 0005 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，q p ，p1，2。然后将这两个粒子合并为一个粒子A，使A的电荷q A q 1 +q 2 ，位置速度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。 0006 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。
12、琐和复杂，难以扩展到3维 粒子模拟过程中。 发明内容 0007 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前提下，大幅度提高计算效率。 0008 本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的： 0009 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： 说 明 书CN 102930102 A 2/5页 5 0010 (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。
13、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； 0011 (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 N 1 ； 0012 (3)当粒子模拟区域中总粒子数目大于阈值N 1 时进行粒子合并，每一个六面体网 格内粒子合并的方法为： 0013 (3.1)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； 0014 (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(3.1) 所形成的多个象限中，在相。
14、应的临时链表内存储粒子的质量、电荷量、位移与速度； 0015 (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； 0016 (3.4)将集合内的四个粒子合并为两个粒子； 0017 (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。
15、移为合并前 两个粒子的平均位移； 0018 (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。 0019 所述步骤(2)中粒子模拟区域中总粒子数目的阈值N 1 设为10 7 。 0020 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： 0021 设合并前四个粒子的速度分量分别为V 1x 、V 1y 、V 1z ，V 2X 、V 2y 、V 2z ，V 3x 、V 3y 、V 3z ，V 4x 、V 4y 、 V 4z ，质量为m，电荷量为q， 0022 则四个粒子速度的平均值为： 0。
16、023 Vcmx(V 1x +V 2x +V 3x +V 4x )/4， 0024 Vcmy(V 1y +V 2y +V 3y +V 4y )/4， 0025 Vcmz(V 1z +V 2a +V 3z +V 4z )/4， 0026 合并后两个粒子中每一个粒子质量变为2m，电荷量变为2q； 0027 合并后两个粒子的速度分量分别为V 5x 、V 5y 、V 5z ，V 6x 、V 6y 、V 6z ， 0028 算户V 5x Vcmx-a、V 6x Vcmx+a、V 5y Vcmy-b、V 6y Vcmy+b、V 5z Vcmz-c、V 6z Vcmz+c， 0029 说 明 书CN 102。
17、930102 A 3/5页 6 0030 0031 合并后两个粒子的位移分别设置为合并前集合中奇数位或偶数位的两个粒子的 位移。 0032 所述步骤(3.1)中多个象限为八个象限，分别对应于(V x 0，V y 0，V z 0)、(V x 0，V y 0，V z 0)、(V x 0，V y 0，V z 0)、(V x 0，V y 0，V z 0)、(V x 0，V y 0，V z 0)、(V x 0，V y 0，V z 0)、(V x 0，V y 0，V z 0)、(V x 0，V y 0，V z 0)， 其中V x 、V y 、V z 为速度分量。 0033 所述多个象限替换为8*R个象限；。
18、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。 0034 本发明与现有技术相比具有如下有益效果： 0035 (1)本发明方法采用在速度相空间对粒子进行分类，选取将四个粒子分为一个集 合，合并后保留两个粒子的方法进行粒子合并，既提高了数值模拟效率，又保证了合并前后 粒子具有与合并前粒子相同的相空间分布，同时保证了合并前后粒子整体上的能量守恒。 0036 (2)与现有技术相比，本方法更易于扩展至三维粒子模拟中，由此导致的额外计算 量较小。 0037 (3)采用本方法可以克服二次电子倍增效应三维数值模拟过程中计算量急剧增加 对数值模拟精度与数值模拟完整性的限制，实现二次电子。
19、倍增饱和阶段物理过程的准确数 值模拟。 0038 (4)本发明的方法能够有效提高粒子模拟计算效率，尤其适合于微放电三维电磁 粒子数值模拟中对微放电电子演变至饱和状态的模拟，对于模拟完整的微放电效应形成与 建立过程，进行物理机理研究与抗微放电大功率微波部件设计等应用具有重要意义。 附图说明 0039 图1本发明粒子合并方法流程图； 0040 图2粒子合并前后x方向粒子速度分布对比图； 0041 图3粒子合并前后x方向粒子位移分布对比图。 具体实施方式 0042 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述： 0043 采用本发明方法对金属波导二次电子倍增效应粒子模拟进行粒子合并，流程图如 。
20、图1所示，具体实施过程如下： 0044 (1)采用CAD软件建立金属波导的三维几何模型，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，将金属波导三维几何模型与粒子模拟区域剖分成若干个 六面体网格，粒子随机分布在若干个六面体网格中，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m、电荷量q、位移与速度；位移与速度按三维直角坐标系 划分包括三个方向的分量S x ，S y ，S z ，V x ，V y ，V z 。 0045 (2)确定粒子模拟区域中总粒子数目的阈值N 1 为10 7 。 0046 (3)基于上述模型进行二次电子倍增效应粒子模拟，即二次电子倍增仿真；当。
21、粒 说 明 书CN 102930102 A 4/5页 7 子模拟区域中总粒子数目大于N1时进行粒子合并，粒子合并的方法为： 0047 (3.1)将每一个六面体网格的三维速度相空间按照直角坐标系分为八个象限，分 别为(V x 0，V y 0，V z 0)、(V x 0，V y 0，V z 0)、(V x 0，V y 0，V z 0)、(V x 0， V y 0，V z 0)、(V x 0，V y 0，V z 0)、(V x 0，V y 0，V z 0)、(V x 0，V y 0，V z 0)、(V x 0，V y 0，V z 0)。也可以在八个象限的基础上，将八个象限中的每个象限分 别再划分为R。
22、个象限，R为大于等于2的整数。对每个象限建立临时链表。 0048 按照三维速度相空间将粒子进行分类，使得将进行合并的粒子具有速度方向上的 相似性，同时位移具有空间离散性，既保证了合并前后粒子能量守恒，又保证了相空间分布 的一致性。三维速度相空间划分越细，能量守恒与相空间分布一致性越好。 0049 (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(3.1) 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。 0050 (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。 0051 (3.4)每个集合内的四个粒子合并为两个粒子。 。
23、0052 假设合并前四个粒子的速度分别为V 1x 、V 1y 、V 1z ，V 2x 、V 2y 、V 2z ，V 3x 、V 3y 、V 3z ，V 4x 、V 4y 、V 4z ， 质量为m，电荷量为q，四个粒子速度的平均值为： 0053 Vcmx(V 1x +V 2x +V 3x +V 4x )/4， 0054 Vcmy(V 1y +V 2y +V 3y +V 4y )/4， 0055 Vcmz(V 1z +V 2z +V 3z +V 4z )/4， 0056 合并后两个粒子的质量为2m，电荷量为2q，速度分别为V 5x 、V 5y 、V 5z ，V 6x 、V 6y 、V 6z ，算 。
24、户V 5x Vcmx-a、V 6x Vcmx+a、V 5y Vcmy-b、V 6y Vcmy+b、V 5z Vcmz-c、V 6z Vcmz+c， 0057 0058 0059 上述合并后两个粒子速度的设置使得合并前和粒子的能量与动量守恒。 0060 每个集合中合并后两个粒子的位移分别设置为合并前集合中偶数位或奇数位的 两个粒子的位移。 0061 (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，再将所所述补偿后的 四个粒子按步。
25、骤(3.4)合并为两个；若剩余集合中余两个粒子，则合并为一个粒子，合并后 的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。 0062 (3.6)采用合并后的粒子更新临时链表，采用临时链表更新每一个六面体网格对 应的粒子链表，完成粒子合并。 0063 定义本实施例中二次电子倍增粒子合并方法为四合二方法，记录合并前后粒子速 度与位移分布的概率密度分布如图2和图3所示，与现有的Lapenta算法相比，采用本发明 的粒子合并方法可保证合并前后粒子动量守恒、能量守恒，相空间分布一致。 0064 以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 说 明 书CN 102930102 A 5/5页 8 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。 0065 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。 说 明 书CN 102930102 A 1/3页 9 图1 说 明 书 附 图CN 102930102 A 2/3页 10 图2 说 明 书 附 图CN 102930102 A 10 3/3页 11 图3 说 明 书 附 图CN 102930102 A 11 。