In this paper we formulate a new particle-in-cell method for the Vlasov-Maxwell system. Using the Lorenz gauge condition, Maxwell's equations for the electromagnetic fields are written as a collection of scalar and vector wave equations. The use of potentials for the fields motivates the adoption of a formulation for particles that is based on a generalized Hamiltonian. A notable advantage offered by this generalized formulation is the elimination of time derivatives of the potentials that are required in the standard Newton-Lorenz treatment of particles. This allows the fields to retain the full time-accuracy guaranteed by the field solver. The resulting updates for particles require only knowledge of the fields and their spatial derivatives. A method for constructing analytical spatial derivatives is presented that exploits the underlying integral solution used in the field solver for the wave equations. The field solvers considered in this work belong to a larger class of methods which are unconditionally stable, can address geometry, and leverage an $\mathcal{O}(N)$ fast summation method for efficiency, known as the Method of Lines Transpose (MOL$^T$). A time-consistency property of the proposed field solver for the vector potential form of Maxwell's equations is established, which ensures that the semi-discrete form of the proposed method satisfies the semi-discrete Lorenz gauge condition. We demonstrate the method on several well-established benchmark problems involving plasmas. The efficacy of the proposed formulation is demonstrated through a comparison with standard methods presented in the literature, including the popular FDTD method.


翻译:在本文件中,我们为Vlasov-Maxwell 系统制定了一个新的微粒-细胞方法。 使用 Lorenz 测量仪, Maxwell 的电磁场方程式被写成为卡路里和矢量波方程式的集合。 对字段的潜能的利用促使对粒子采用基于普遍汉密尔顿式的配方。 这个普遍配方的一个显著优势是消除标准 Newton- Lorenz 粒子处理中所需的潜力的时间衍生物。 这使得字段能够保留由实地求解器保证的全部时间精确度。 由此产生的粒子更新只需要对字段及其空间衍生物的了解。 演示空间衍生物的分析方法, 利用外地求解器所使用的基本整体解决方案, 以普遍汉密尔密尔密尔顿式方程式为基础。 这项工作中考虑的外地求解方程式属于一种更大规模的方法, 无条件稳定, 能够解决地测量, 并使用 $\maintal call{O} 快速合成效率方法, 即所谓的直径阵列法方法, 包括当前方正解法中的拟议解法 。

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