Суперкомпьютерные дни в России 2015 // Russian Supercomputing Days 2015 // RussianSCDays.org Численные модели электронных пучков для мазеров на циклотронном резонансе А.Д. Кунцевич, В.Н. Мануилов Нижегородский госуниверситет 1. Введение В гиротронах, наиболее мощных источниках электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн от миллиметрового до субмиллиметрового, в качестве активной среды (источника энергии излучения) используются трубчатые пучки электронов, движущихся по винтовым траекториям в магнитном поле (так называемые винтовые электронные пучки - ВЭП). Моделирование и оптимизацию параметров ВЭП целесообразно проводить на основе иерархии последовательно усложняющихся численных моделей, позволяющих проводить за приемлемое время анализ сначала в рамках статической модели для минимизации разброса скоростей частиц, а затем и динамической модели для оценки устойчивости ВЭП. 2. Методика моделирования Наиболее экономичным подходом при решении уравнения Пуассона в рамках статической модели оказывается комбинация метода интегральных уравнений и метода сеток. Первый по- зволяет рассчитывать потенциал только в узкой полосе, где распространяется пучок и раздель- но учесть кулоновское поле удаленных и ближайших к точке наблюдения зарядов пучка, вто- рой резко ускоряет процедуру расчета поля по вычисленным в узлах сетки потенциалам. До- полнительная экономия времени расчета достигается за счет так называемой методики «холо- стых узлов», которая позволяет проводить вычисление потенциала только в тех узлах сетки, которые входят в текущий конечно-разностный шаблон, используемый для расчета. Анализ ВЭП по динамической модели усложняется учетом таких дополнительных факто- ров как отражение электронов сначала от магнитного, а затем и от электростатического зеркал, электронной бомбардировкой катода и возникающей вследствие этого вторичной эмиссией частиц и наконец – накоплением запертых в адиабатической ловушке между указанными зер- калами захваченных частиц. Отметим, что в области электронных зеркал частицы движутся с малой продольной скоростью, что также оказывается дополнительным усложняющим факто- ром для численных методов. Описана физическая модель, учитывающая наиболее существенные факторы, влияющие на захват частиц и возникновение колебательных режимов в ВЭП (тепловые скорости, шерохова- тости эмиттера, поле пространственного заряда, отражение от электронных зеркал, вторично- эмиссионное размножение захваченных частиц при бомбардировке катода). Обсуждаются под- ходы, позволяющие значительно (на порядок и более) сократить время вычислений при числе частиц несколько миллионов за счет использования параллельных вычислений на основе Posix threads, OpenMP, TPL. Приведены первые примеры расчетов на суперкомпьтерном кластере ННГУ «Лобачевский». Проведено сравнение процессов захвата и развития колебательных ре- жимов в ВЭП для МЦР различных частотных диапазонов. 613 Суперкомпьютерные дни в России 2015 // Russian Supercomputing Days 2015 // RussianSCDays.org Numerical models of helical electron beams for cyclotron reso- nance-based masers Aleksey Kuntsevich and Vladimir Manuilov Keywords: parallel computing, cyclotron resonance maser, numerical models The paper describes the hierarchy of numerical models used for calculation of properties of intense helical electron beams (HEBs) aimed to be used as a power source in powerful cyclotron resonance-based masers. Described set of numerical simulation models includes both static (for preliminary optimization of HEB properties) and dynamic models. The latter are based on method of big particles and allow simulate oscillatory processes in HEBs and thus determine the stability level of HEB. The possibility of using parallelization of calculations based on different approaches (Posix threads, OpenMP and TPL) to increase the calculation speed for the number of particles more than one million are discussed. The first implementation attempts of such approach are presented.