This paper is devoted to the numerical symplectic approximation of the charged-particle dynamics (CPD) with arbitrary electromagnetic fields. By utilizing continuous-stage methods and exponential integrators, a general class of symplectic methods is formulated for CPD under a homogeneous magnetic field. Based on the derived symplectic conditions, two practical symplectic methods up to order four are constructed where the error estimates show that the proposed second order scheme has a uniform accuracy in the position w.r.t. the strength of the magnetic field. Moreover, the symplectic methods are extended to CPD under non-homogeneous magnetic fields and three algorithms are formulated. Rigorous error estimates are investigated for the proposed methods and one method is proved to have a uniform accuracy in the position w.r.t. the strength of the magnetic field. Numerical experiments are provided for CPD under homogeneous and non-homogeneous magnetic fields, and the numerical results support the theoretical analysis and demonstrate the remarkable numerical behavior of our methods.


翻译:本文专门用任意电磁场充电粒子动态(CPD)的数值分布近似值来写下任意电磁场的电磁场。通过使用连续级方法和指数集成器,在同质磁场下为CPD制定了一般的共振方法类别。根据衍生的共振场条件,在误差估计显示拟议的第二顺序方案在磁场的强度w.r.t.的位置上具有一致的精确度的情况下,构建了两个实际的共振方法,最多可达四级。此外,在非混合磁场下,共振方法扩大到CPD,并制定了三种算法。对拟议方法进行了严格的误差估计,并证明一种方法在磁场强度的位置上具有一致的准确性。在均匀和非均匀磁场下的CPD提供了数值实验,数字结果支持理论分析,并展示了我们方法的显著数字行为。

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