Effective application of supercomputers in plasma physics computations with particle-in-cell method

Two problems of computational plasma physics are considered. The first is the interaction of relativistic electron beam with plasma. The second is plasma electron dynamics in the magnetic trap with inverse magnetic mirrors and multipole magnetic walls. The models are built on the basis of Particle-In-Cell method. The problems of this sort require large amount of computations. Thus they are feasible only with supercomputers. In order to achieve uniform and complete workload of the computational nodes of a supercomputer mixed Eulerian-Lagrangian decomposition is used. As a result of computational experiments on the interaction of relativistic electron beam with plasma the density modulation was reproduced that occurs also in real experiments. For the problem of plasma electron dynamics in the magnetic trap the trajectories of electrons were obtained.Рассмотрены задачи взаимодействия релятивистского электронного пучка с плазмой и динамики плазменных электронов в ловушке с инверсными магнитными пробками и мультипольными магнитными стенками. Модели построены на основе метода частиц в ячейках. Такие задачи требуют большого объёма вычислений и могут быть решены только с применением мощных суперЭВМ. Для равномерной и полной загрузки вычислительных узлов выполнена смешанная эйлерово-лагранжевая декомпозиция. Такой подход позволяет достичь высокой масштабируемости параллельного алгоритма. В результате вычислительных экспериментов удалось воспроизвести модуляцию плотности плазмы при взаимодействии с релятивистским электронным пучком и получить траектории плазменных электронов в магнитной ловушке