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全三维电磁粒子模拟软件CHIPIC3D研制

全三维粒子模拟软件CHIPIC是国家*63计划*03主题支持项目“***粒子模拟软件研发”的主要研究内容，其研究目的是在坚实理论基础指导下，深入开展强波粒相互作用理论及HPM和HPMM相关理论研究，建立强流相对论互作用的理论体系，为高功率微波器件理论研究提供一款实用的粒子模拟软件。因为粒子模拟软件在军事领域有重大应用价值，国外的一些先进粒子模拟软件对我国是禁运的（如美国的MAGIC），从而一些内部技术对我国也是封闭的。本软件是完全依靠国内的自身条件研制完成的，是具有完全知识产权的软件。由本软件运算的准确性（与国外软件比较验证）可以证明本成果使用的技术线路是完全可与国外软件媲美的。该项目完成了三维电磁粒子模拟理论与算法、软件设计、软件测试等研究内容，突破了高效并行计算、大尺度结构建模、三维PIC/MCC混合算法等关键技术，设计了友好的图形化输入界面及多窗口输出界面，形成了功能完整的CHIPIC3D模拟软件。并最终应用于对高功率微波源、真空电子学太赫兹源、脉冲功率真空器件等进行三维粒子模拟。该项目主要技术指标如下：1.CHIPIC3D全三维电磁粒子模拟软件在直角及圆柱坐标系下实现了三维FDTD及粒子算法，能对各种对称、非对称结构的高功率微波源及太赫兹波源器件进行三维粒子模拟，模拟结果与实验吻合。2.采用基于消息交换与共享内存相结合的并行计算方法，使加速比达到30以上;3.采用分段建模并行计算的方法，能对30米以上大尺度精细结构进行三维粒子建模及模拟；4.将蒙特卡洛及Vaughan模型算法应用于三维粒子模拟软件，使其能模拟介质表面二次电子倍增、气体放电及介质表面击穿等复杂物理问题；5.采取面向对象的方法，能提供友好的图形化的输入界面及多窗口输出界面。目前该软件已在中国工程物理研究院流体物理研究所、中国工程物理研究院应用电子学研究所、北京应用物理与计算数学研究所、国营第七七二厂、四川大学电子信息学院、西南交通大学等单位应用。从军事应用角度来看，该软件将缩短我国高功率微波源的研究周期，从而加快我国军队相关武器装备的研究进程；从经济效益角度来看，该软件避免了大量的重复加工及重复试验，节约了大量的人力物力，从而为用户单位带来巨大的经济效益。

电子科技大学 2021-04-10