The state of art of charge-conserving electromagnetic finite element particle-in-cell has grown by leaps and bounds in the past few years. These advances have primarily been achieved for leap-frog time stepping schemes for Maxwell solvers, in large part, due to the method strictly following the proper space for representing fields, charges, and measuring currents. Unfortunately, leap-frog based solvers (and their other incarnations) are only conditionally stable. Recent advances have made Electromagnetic Finite Element Particle-in-Cell (EM-FEMPIC) methods built around unconditionally stable time stepping schemes were shown to conserve charge. Together with the use of a quasi-Helmholtz decomposition, these methods were both unconditionally stable and satisfied Gauss' Laws to machine precision. However, this architecture was developed for systems with explicit particle integrators where fields and velocities were off by a time step. While completely self-consistent methods exist in the literature, they follow the classic rubric: collect a system of first order differential equations (Maxwell and Newton equations) and use an integrator to solve the combined system. These methods suffer from the same side-effect as earlier--they are conditionally stable. Here we propose a different approach; we pair an unconditionally stable Maxwell solver to an exponential predictor-corrector method for Newton's equations. As we will show via numerical experiments, the proposed method conserves energy within a PIC scheme, has an unconditionally stable EM solve, solves Newton's equations to much higher accuracy than a traditional Boris solver and conserves charge to machine precision. We further demonstrate benefits compared to other polynomial methods to solve Newton's equations, like the well known Boris push.


翻译:电磁电磁定点元素粒子在细胞中的状态在过去几年里通过飞跃和界限而发展起来。这些进步主要表现在马克斯韦尔溶液者的跳式时间跨步计划上。在很大程度上,这些进步主要归功于严格遵循代表字段、电费和测量流的适当空间的方法。不幸的是,基于跳式电磁电磁定点元素粒子粒子在细胞中的状态只是有条件的稳定。最近的进展使得电磁定点元素粒子粒子在细胞中的粒子粒子(EM-FEMPIC)方法在无条件稳定的时间跨步计划周围建立起来,用来保存电流。除了使用准Helmholtz溶液溶剂的跳跃式时间跨步计划之外,这些方法既无条件稳定又满足了代表字段、电流和测量流的定点。但是在文献中完全自相容自相容的方法,它们遵循经典的红外线:收集一种最有源差异的计算公式(Maxwell和Newtonal complainal compeal) 方法,而我们又用一种稳定的直径直径直径直径直方方方方计算方法。</s>

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