强光电离氢团簇的并行数值模拟研究

论文摘要

随着超短超强激光技术的发展,激光脉冲的输出功率已达到TW、PW量级,激发了人们对超短超强激光与物质相互作用的研究热情。作为介于原子分子与固体之间的特殊物质形态,强激光与团簇相互作用表现出不同于气体和固体相互作用的特点,有助于理解物质从气体性质向固体性质的过渡过程,具有重要的研究意义和潜在的应用价值。然而随着计算规模的不断扩大,现有的计算能力已无法满足对大尺度、高维度模型进一步研究的需要,对并行计算与相应并行算法的研究工作由此展开。本文主要对一维、二维氢原子团簇进行了强光电离的并行数值模拟研究以及初步的飞行时间质谱实验设计,主要内容包括:（1）提出了高性能集群的构建思路与具体构建方法。优先考虑性能与可操控度的条件下,对并行计算平台的硬件和软件环境做出了合理的比较与选择。（2）建立一维经典粒子动力学模型,研究了氢原子团簇的强光电离过程。模拟结果表明:团簇的离子动能分布曲线达到高能部分后出现锐减;随着团簇尺度的增大,库仑爆炸后产生的离子动能随之增大;离子最大动能随激光光强增加而增大,当光强增大到一定值时,最大动能将出现饱和;随着团簇尺度的增大,激光光强饱和值和离子能量将会提高。在算法上,引入弛豫时间参数有效处理粒子间的碰撞过程,使计算量大为简化。在此基础上,提出相应的并行策略,利用MPI与OpenMP混合编程模型对算法进行并行化处理,通过增加冗于计算,优化通信模型等方式对并行算法进行优化,获得了较为理想的加速比。（3）在一维模拟的基础上,初步建立二维氢原子团簇模型,使用Monte-Carlo算法处理粒子间碰撞过程,引入碰撞电离机制。利用并行快速傅立叶变换算法计算库仑场分布,降低算法复杂度,使计算速度大幅提高。（4）初步设计了强激光与物质相互作用的飞行质谱实验,并对后续工作提出展望。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 强激光与团簇相互作用的研究概况
• 1.1.1 强激光与团簇相互作用的研究意义
• 1.1.2 强激光与团簇相互作用国内外研究现状
• 1.1.3 强激光与物质互作用并行算法研究进展
• 1.2 并行计算简介
• 1.3 并行编程环境MPI与OpenMP
• 1.3.1 进程、线程与并行粒度
• 1.3.2 MPI简介
• 1.3.3 OpenMP简介
• 1.3.4 本课题组并行平台的构建
• 1.4 并行算法及性能量度
• 1.5 论文研究内容与安排
• 1.6 本章小结
• 第二章 粒子模拟算法及其并行化
• 2.1 粒子模拟方法简介
• 2.2 PP算法
• 2.3 截断方法
• 2.4 PM方法与PIC方法
• 2.5 树形分级算法
• 2.5.1 Barnes-Hut算法
• 2.5.2 快速多极子方法FMM
• 2.5.3 树形分级算法的并行化
• 2.6 粒子模拟中常用的并行分解策略
• 2.6.1 粒子分解法
• 2.6.2 力分解法
• 2.6.3 区域分解法
• 2.7 本章小结
• 第三章 一维氢原子团簇强光电离的并行数值模拟
• 3.1 原子单位制
• 3.2 强激光与团簇相互作用的理论模型
• 3.3 一维氢原子团簇模型与算法
• 3.4 算法的并行化研究
• 3.4.1 节点间并行策略
• 3.4.2 节点内并行策略
• 3.5 计算结果与讨论
• 3.5.1 计算结果处理
• 3.5.2 离子最大动能与团簇尺度的关系
• 3.5.3 离子最大动能与激光光强的关系
• 3.6 本章小结
• 第四章 二维氢原子团簇强光电离模拟
• 4.1 二维氢原子团簇模型
• 4.2 Velocity Verlet算法
• 4.3 粒子间碰撞的处理
• 4.3.1 粒子间的碰撞机制
• 4.3.2 改进的并行随机数生成器
• 4.4 格点电场的计算
• 4.4.1 Poisson方程的傅立叶变换解法
• 4.4.2 串行FFT算法
• 4.4.3 并行FFT算法
• 4.4.4 程序诊断
• 4.5 本章小结
• 第五章 TOF-MS实验系统设计
• 5.1 TOF-MS实验系统设计
• 5.2 未来研究工作展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢