Simple and fast Poisson solver with arbitrary boundary shape and condition for PIC simulation

PICシミュレーションのための任意境界形状と条件を扱える単純で高速のPoissonソルバー

滝塚 知典*; 東 修平*; 福山 淳*; 清水 勝宏

Takizuka, Tomonori*; Azuma, Shuhei*; Fukuyama, Atsushi*; Shimizu, Katsuhiro

Particle-in-cell(PIC)粒子シミュレーションは核融合装置における境界プラズマの物理を理解するための強力な手法である。長方形容器中の直交格子を扱うPoissonソルバーは非常に高速であるが、複雑なダイバータ配位のシミュレーションには簡単には適用できない。この論文では、PICシミュレーションのための任意境界形状と条件を取り扱える単純で高速のPoissonソルバーを提案する。このソルバーでは境界点が重要であり、その点上で電荷密度が適切に与えられ、境界条件が満たされる。開放系の粒子シミュレーションでは、時間ステップ内に粒子が自由に運動しているか境界壁に当たるかを識別する必要がある。PICシミュレーションで粒子位置が境界を越えたかどうかを判別する新手法も提案する。

Particle-in-cell (PIC) simulations are the very powerful method to understand physics of edge plasmas in fusion devices. Poisson solver with a regular grid in a rectangular vessel is very fast, but it cannot simply be applicable to simulations in complicated divertor configuration. In this paper, a simple and fast Poisson solver with arbitrary boundary shape and condition for PIC simulation is proposed. Boundary points are essential for this Poisson solver, on which the charge density is appropriately given and the boundary condition is satisfied. For particle simulations in the open system, it is necessary to distinguish whether a traced particle moves freely or hits the wall boundary during a time step. A new method for PIC simulation to discriminate a particle position before the boundary or beyond the boundary is also presented.