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Particle-in-Cell-Tutorial

Particle-in-Cell-Tutorial für Studierende, die sich in das Themengebiet der Modellierung von Plasmen mittels kinetischer Teilchencodes einarbeiten möchten.

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Tutorial-Videos

Bei der Particle-in-Cell (PIC)-Methode handelt es sich um eine Methode zum Lösen bestimmter partieller Differentialgleichungen (wie beispielsweise der Poisson-Gleichung). Der Raum wird dabei durch ein Gitter diskretisiert, die Differentialgleichung auf den Gitterpunkten gelöst. Die PIC-Methode erlaubt es, die Bewegung von Teilchen innerhalb dieses Gitters in diskreten Zeitschritten zu beschreiben. Eigenschaften des Raumes (repräsentiert durch die Gitterpunkte) können auf die Teilchen bezogen werden ("Gather"), während Teilcheneigenschaften auf das Gitter projiziert werden können ("Scatter"). So kann z. B. die elektrische Ladung von Teilchen auf die Gitterpunkte gewichtet verteilt werden, wodurch man eine Raumladungsdichte erhält, die dann in einem iterativen Verfahren wieder in die elektrische Feldberechnung mittels der Poisson-Gleichung eingeht.

 

Die PIC-Methode gibt es schon seit fast 70 Jahren, sie ist also schon recht alt, hat aber im Bereich der Plasmaphysik erst durch die Verfügbarkeit von leistungsstarken Computer-Clustern an Bedeutung gewonnen. Das liegt daran, dass man es selbst in sehr verdünnten Plasmen mit einer großen Anzahl an Teilchen zu tun hat, die den Bedarf an Rechenleistung in die Höhe treiben. Zum Erlernen dieser Methode sind heutige Rechner meist leistungsstark genug, solange man die Anzahl der Teilchen und die Menge der Gitterzellen hinreichend klein hält.

 

Es gibt einige empfehlenswerte Bücher über die Theorie der PIC-Simulation(wie beispielsweise das Standardwerk "Plasma Physics via Computer Simulation" von C. K. Birdsall und A. B. Langdon) und eine Vielzahl von Büchern, die sich mit Programmiersprachen beschäftigen, die für PIC-Modellierungen geeignet sind. Leider gibt es wenige Bücher, die beides zusammen vermitteln, so dass erfahrungsgemäß die Umsetzung der PIC-Methode in Form eines Codes anfangs oft schwer fällt. Gerade in den maschinennahen Sprachen gib es einige Dinge für die Umsetzung eines effizienten PIC-Codes zu beachten.

 

Die AG Ionentriebwerke haben daher eine Videotutorial-Reihe erstellen lassen, die den Einstieg in dieses Gebiet erleichtern sollen. Die Videos wurden von Silas Hamp im Rahmen eines Vertiefunsmoduls erstellt. Die Idee ist hier, dass diese Lehrvideos explizit von einem Studierenden, der sich auch erst in das Gebiet eingearbeitet hat, für Studierende produziert wurden, damit die "Anfangsprobleme" unmittelbar in die Tutorials einfließen konnten. Insgesamt gibt es sechs Videos, die hier verlinkt sind. Die Tutorialreihe orientiert sich an dem Buch "Plasma Simulations by Example" von Lubos Brieda, das jedem PIC-Interessierten wärmstens empfohlen wird.

 

Es sei an dieser Stelle betont, dass es sich um eine Videoreihe für Anfänger handelt. Die Modellierung von Plasmen ist ein komplexes Gebiet und - wenn man es richtig machen will - ein Fulltime-Job. Dennoch ist es auch für Experimentalphysiker interessant, einen kleinen Einblick in die Welt dieser Modellierungen zu bekommen, damit man halbwegs auf Augenhöhe mitreden kann.

 

Ergänzende Unterlagen zu dieser Videoreihe sind hier zu finden:

 

 

 

 

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Ergänzende Unterlagen (a)

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