技術原稿: 物理モデルと数値アルゴリズム

BEACH の物理モデルと数値手法を、研究背景、支配方程式、離散化、計算手順、適用限界の順に説明する技術原稿です。設定ファイルの書き方や実行手順は、このサイトの使い方のページを参照してください。

本書の位置づけ

本書は BEACH（BEM + Accumulated CHarge）が採用するモデルとアルゴリズムを、研究背景、支配方程式、離散化、計算手順、適用限界の順にまとめた技術原稿である。想定読者は、プラズマと表面の相互作用を研究し、BEACH による計算を論文で説明する研究者である。入力形式や操作手順は扱わず、プラズマ物理と数値計算の一般的な知識を前提に、物理量がどの近似を経て計算されるかを記述する。

本書は新たな研究成果を報告する論文ではない。第8章の数値例は、手法の性質を示すための試験計算である。性能や実環境との一致を実測したとは主張しない。第9章に、研究ケースごとに必要な検証を示す。文献は理論の由来と比較対象を示すものであり、BEACH 全体を先行論文と同一のモデルと認定するものではない。

概要

BEACH は三角形表面要素に蓄積した電荷から静電場を評価し、荷電テスト粒子の前進軌道と表面への吸収・放出を通じて電荷分布を更新する。各三角形には一定面電荷密度を仮定し、近傍相互作用を解析的な panel 積分、遠方相互作用を直接和、treecode または Cartesian FMM で扱う。粒子は予測中点電場を用いた Boris 速度更新と台形位置更新によって進め、軌道線分上の最初の表面衝突または計算箱境界イベントを処理する。場はバッチ中に固定し、電荷差分をバッチ末尾に確定反映する。通常の絶縁体電荷蓄積に加え、浮遊導体の再配分、光電子の照射 ray による放出、吸収時の二次電子放出、 2 軸周期静電場、外部の定常シースの零電流根を上端面に接続する closure が実装されている。外部シースは、太陽風と光電子がつくる平面・無衝突のシースを、軌道に沿って写した速度分布と Poisson 方程式の第一積分で解くモデルである。一方、BEACH 領域内の体積プラズマ空間電荷、誘電分極、表面伝導、外部シースの時間依存輸送は解かない。本書は、このモデル分担と数値誤差の所在を明確にし、研究利用に必要な収束確認と比較検証を整理する。

**キーワード：**表面帯電、境界要素法、テスト粒子、Boris 法、高速多重極法、光電子、外部シース

章

参考文献