LSP Suite

Particle-in-Cell Code for Large-scale Plasma Simulations
專業大尺寸高密度等離子體電磁粒子仿真軟件



LSP產品介紹

    美國Orbital ATK公司開發的LSP軟件是一款三維電磁粒子仿真軟件,主要用於大尺寸(標長)等離子仿真。軟件能處理帶電粒子(電子和離子)與外加電磁場及自生電磁場的相互作用。軟件起源與1995年,由SBIR資助開發,並在2002年商業化。目前的主要用於仿真電子束驅動的輻射照相、脈衝功率加速器設計、重離子驅動慣性約束聚變、電子束泵浦的KrF激光、拍瓦級別的激光-等離子相互作用和等離子體反應器等領。
    LSP軟件能在各種Windows和Linux係統下運行,可以在串行或者並行計算機上運行。軟件包含一個用於幾何和參數輸入的圖形界麵GLSP,一個實際進行物理計算的LSP代碼內核,一個用於後處理的圖形界麵P4。



LSP應用領域

  • LSP軟件可以用於商業、學術和政府機構用戶。LSP主要應用領域包括:
  • ★強流粒子束的產生和傳播,如:
  • - 強流二極管
  • - (自磁)箍縮二極管
  • - 直線感應加速器
  • - 加速器粒子束的傳播和中性化過程
  • ★強流粒子束的產生和傳播,如:
  • - 磁絕緣傳輸線
  • - 線性傳輸變壓器(LTD)
  • - 等離子體斷路開關
  • ★慣性約束聚變類設備的研究,如:
  • - 激光驅動慣性約束聚變(ICF)
  • - 重離子驅動慣性約束聚變(IICF)
  • - Z-Pinch
  • - 反場構型的磁化靶聚變(FRC-MTF)
  • - 稠密等離子體焦點(DPF)設備
  • - Plasma Liner設備
  • ★電子束泵浦氣體激光器或類似設備的研究,如:
  • - 功率二極管
  • - 電子束驅動KrF激光器
  • ★Petawatt級別的激光-等離子體相互作用,如:
  • - 激光驅動離子加速器
  • - 激光打靶過程的靶物理
  • - 激光傳播和整形




LSP軟件特征

  • -完全相對論、高密度等離子體隱格式和顯格式求解器
  • -多種電磁和靜電、靜磁求解器
  • -動理學-流體混合等離子體模型
  • -複雜外形的共形表麵及子網格模型
  • -支持外加電磁場
  • -氣體電導/電離和電磁吸收模型
  • -電子在材料中的輸運
  • -粒子與表麵的相互作用
  • -外電路模型
  • -多種診斷和後處理接口
  • -智能幫助係統
  • -光子產生和輸運模型*
  • -氣體蒙卡碰撞模型*
  • 注:標注*的功能需要用戶擁有ITS代碼或者用戶自定義相關代碼。


LSP典型用戶

ADD AWE Bechtel-Nevada CEA
FAR-TECH FPGeneration HyperV Imperial College
L-3 Communications LANL LBNL LLNL
NRL OSU PPPL SNL
UCSD UNLV UNR UR-LLE


LSP軟件前處理GLSP介紹

GLSP是LSP軟件的前處理圖形界麵。它可以定義一個完整的計算,可以處理3D空間模型。也可以從GLSP載入一個LSP計算,或者將輸入文件導入到一個遠程工作的機器上。也能從GLSP進入後處理圖形界麵。GLSP是用基於C和Tcl/Tk開發,使用OpenGL渲染三維模型。GLSP是一款獨立於LSP內核的完整程序。

GLSP特征:

  • - 跨平台
  • - 實時結果繪製
  • - 包含固體模型的多種繪製模式
  • - 遠程文件操作
  • - 智能幫助係統




LSP軟件計算引擎介紹

LSP是一款三維(能處理1維和2維)電磁仿真軟件,基於電磁粒子算法,主要用於大尺寸等離子體模型的仿真。軟件能夠串行也能夠進行並行計算。在多物理核心的機群上,通過對仿真模型區域分解和信息傳遞實現多核心運算,粒子與網格同時分塊。並行計算使用的是標準的MPI並行接口。

LSP能求解顯格式和隱格式的電磁場,包含粒子推進算法。其它還能處理如場致發射模型、傳輸線邊界條件、電解質、色散磁性材料、二次電子發射、多重散射、電離、表麵熱效應、表麵中性原子解吸附等。LSP軟件采用電子混合流體模型,允許采用流體的方式處理具有稠密電子的等離子體模型。

場和粒子的內存分配是全動態的。這個動態分配法可以節省內存空間,但導體表麵內的數據並不做動態分配。軟件采用一個數組指針來存儲場數據。粒子則是按照組來管理,可以根據需要增加組的數量。

在LSP軟件中,場和粒子的數據被存儲為XDR格式,這種格式允許用戶在多核心Unix機器上寫入二進製數據,並在PC或者Mac上讀取。曆史文件被保存為基於ASCII碼的文本文件,也是可移植的。P4後處理器,是基於跨平台語言IDL編寫,用於分析計算結果。

GLSP允許用戶導入已經建好的圖形文件。支持的係統平台包括Windows 2000/NT/98, Linux, UNIX, Mac OS X。


LSP軟件後處理P4介紹

P4是LSP軟件的三維後處理器。能夠對LSP軟件的計算結果(曆史記錄、粒子、矢量或者標量)進行視圖和圖片輸出。同時它還能針對粒子和標量生成多種動畫格式文件,這些文件可以用瀏覽器或者Quicktime進行播放。P4可以跨平台工作,基於IDL語言編寫。



LSP應用案例


下麵是幾個典型的LSP應用案例:

1. 電子束泵浦KrF激光器模擬。

在這個模擬中,二極管輸出的電子束穿過工作氣體,沉積能量並激勵KrF氣體,驅動激光的產生。LSP用於研究電子束的傳播和能量沉積過程。


2. 激光驅動的電子束成絲效應

在這個模擬中,激光驅動出的超熱電子束自發聚束成絲,模擬中使用了隱格式模擬和庫倫碰撞模型


3. 磁絕緣傳輸線電壓累加器

磁絕緣傳輸線中的脈衝功率信號穿過一係列饋電腔,累加饋電能量,形成一個合成功率信號,LSP用於研究傳輸和累加行為。


4. 等離子體斷路開關研究

模擬中使用了混合模型。


5. 稠密等離子體焦點設備仿真

LSP用來模擬一個DPF(Dense Plasma Focus)設備的全程行為。


6. FRC-MTF設備模擬。

在這個模型中,LSP的隱格式模擬能力用來分析反場構型的形成和壓縮,以及其中的高能電子產生。


7. 等離子體套筒模擬

Plasma Liner是一種用多束等離子體向心匯聚內爆導致高溫高壓的聚變設計。這裏模擬的是一個三十束等離子體噴注匯聚內爆的過程,LSP的高密度等離子體模擬能力用於研究等離子體密度壓強和溫度的演化。


8. Z-Pinch負載功率傳輸和匹配結構研究

多路磁絕緣傳輸線導入功率信號,並在匹配結構中組合,最終送入Z-Pinch負載,LSP用來研究電磁能量的流動和電子行為。

 

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