hiukkasPICmenetelmät

Hiukkas-PIC-menetelmät (Particle-In-Cell, PIC) ovat numeerisia menetelmiä plasman ja ionisoitujen kaasujen ilmiöiden simuloimiseksi. Ne esittävät plasmaa hiukkasjoukkona, joka liikkuu kentässä, ja sähkö- sekä magneettikentät ruudukossa. Toimintaperiaate on seuraava: alustusvaiheessa luodaan hiukkaset ja lähtökentät; varaus- ja virran siirto ruudukkoon muotofunktioiden avulla; Maxwellin yhtälöt ratkaistaan ruudukossa; kentät interpoloidaan hiukkasille ja hiukkaset puskataan Lorenzin voimalla; seuraava aikaskelti; varaus ja virta päivitetään ja kierto toistetaan.

PIC-menetelmät voidaan jakaa sähköstaattisiin PIC-menetelmiin sekä täyden elektromagneettisen PICin. Explicit-PIC käyttää pieniä aikaskaleita ja noudattaa CFL-ehdon rajoja; implicit-PIC sallii suurempia aikaskelia, mutta vaatii iteratiivisen ratkaisun kenttien ja virtojen välillä. Mallinnus voidaan tehdä 1D, 2D tai 3D sekä erilaisilla ruudukko- ja rajatiloilla. Keskeisiä komponentteja ovat hiukkasten varaus- ja virran siirto ruudukkoon muotofunktioiden avulla, kenttien ratkaisu (yleensä FDTD) sekä hiukkasten puskeminen.

Käyttökohteita ovat plasmafysiikka, laser-plasma vuorovaikutus, inertiaalinen konfinointi sekä plasmatekniikka ja astrofysikaalisten ilmiöiden simulointi. PIC-menetelmät ovat kehittyneitä ja keskeisiä työkaluja plasman dynamiikan tutkimuksessa, tarjoten havainnollisen, vuorovaikutteisen tavan tarkastella hiukkasen ja kenttien välisiä prosesseja.