Vliv počtu makročástic na přesnost a časovou náročnost částicových simulací ve fyzice laserového plazmatu

Abstract

Tato práce se zabývá numerickými efekty spojenými s makročásticemi v particle-in-cell (PIC) simulacích ve fyzice laserového plazmatu. Je prezentován přehled fyziky interakce ultraintenzivních laserových pulsu s ionizovanými terči. Algoritmus PIC metody je popsán a jeho numerické vlastnosti jsou teoreticky prozkoumány. Teoreticky je odvozená obecná závislost chyb v simulaci na počtu makročástic. Navrženy jsou 2D a 3D simulace interakce ultraintenzivního laserového pulsu s ionizovaným terčem tak, aby bylo možné empiricky zkoumat numerické výsledky spojené s počtem makročástic v simulaci a dalšími parametry. PIC kód EPOCH je použit k realizaci simulací na výpočetních zdrojích poskytnutých službou Metacentrum VO a počítačovým klastrem ARIS. Výsledky těchto simulací a numerické efekty, které vznikly díky makročásticím jsou podrobeny analýze. Dodatečné 2D a 3D simulace jsou realizovány za účelem zjištení dopadu počtu makročástic v simulaci a dalších simulačních parametrů na časovou náročnost PIC simulací.

This thesis deals with the numerical effects related to the nacroparticle number in particle-in-cell (PIC) simulations in laser plasma physics. Overview of physics of ultra-intense laser pulse interaction with ionized targets is presented. The PIC algorithm is described and its numerical properties are theoretically examined. A general dependence of the errors in the simulation on the macroparticle number is derived. Simulations of interaction of ultra-intense laser pulse with an ionized target is designed in 2D and 3D to empirically examine the numerical effects related to the macroparticle number and other parameters. PIC code EPOCH is used to execute simulations on computational resources provided by Metacentrum VO and cluster ARIS. Results of these simulations are analyzed and the numerical effects that occur in the simulations are examined and discussed. Additional 2D and 3D simulations are performed to determine the impact of macroparticle number and other simulation parameters on the computational demands of PIC simulations.