Программа

ПРОГРАММА

Наименование дисциплины: Вычислительный эксперимент в физике сложных систем

Рекомендуется для направления подготовки 011200 Физика

Специализация: Прикладная физика и физическая информатика

Квалификация (степень) выпускника магистр

Цели и задачи дисциплины:

Содержание дисциплины курса направлено на обеспечение базовой подготовки в постановки и проведения вычислительного эксперимента в физике сложных систем. Целями курса являются: изучение методов численного моделирования сложных систем и получение студентами практических навыков в разработке численных моделей и проведении вычислительного эксперимента. Одной из задач курса является закрепление на более высоком уровне знаний в областях вычислительных методов и вычислительных технологий, используемых в современной физике, и их реализации при решении сложных практических задач.

2. Место дисциплины в структуре ООП:

Дисциплина «Вычислительный эксперимент в физике сложных систем» относится к дисциплинам вариативной части профессионального цикла основной образовательной программы по направлению 011200 –Физика, магистерская программа «Прикладная физика и физическая информатика».

Изучение дисциплины базируется на следующих дисциплинах образовательной программы бакалавриата по направлению: модуль «Общая физика», модуль «Теоретическая физика» базовой части цикла математических и естественнонаучных дисциплин, вариативной части цикла математических и естественнонаучных дисциплин «Уравнения математической физики», «Введение в языки программирования», дисциплин вариативной части профессионального цикла: «Физическая электроника», «Основы физики ускорителей заряженных частиц», «Введение в физику УТС», дисциплины по выбору «Основы физики плазмы».

3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины:

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:

·  способность демонстрировать углубленные знания в области математики и естественных наук (ОК-1),

·  способность к свободному владению знаниями фундаментальных разделов физики и прикладной физики, необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в соответствии со своим профилем подготовки) (ПК-1);

·  способность к свободному владению профессионально-профилированными знаниями в области информационных технологий, использованию современных компьютерных сетей, программных продуктов и ресурсов Интернет для решения задач профессиональной деятельности, в том числе находящихся за пределами профильной подготовки (ПК-2);

·  способность использовать в своей научно-исследовательской деятельности знание современных проблем и новейших достижений вычислительной физики и вычислительного эксперимента (ПК-3);

·  способность самостоятельно ставить научные задачи в области физики сложных систем (в соответствии с профилем подготовки) и решать их с использованием современного программного обеспечения и новейшего отечественного и зарубежного опыта в области вычислительного эксперимента (ПК-4).

В результате изучения дисциплины студент должен:

Знать: методы моделирования процессов, протекающих в сложных физических системах;

Уметь: разрабатывать и применять для решения практических задач численные модели, строить алгоритмы и писать программы (коды) на одном или нескольких языках программирования, использовать разработанные ранее алгоритмы и библиотеки подпрограмм;

Владеть: методами постановки и реализации современного вычислительного эксперимента:

4. Объем дисциплины и виды учебной работы

Общая трудоемкость дисциплины составляет 6 зачетных единиц.

	Вид учебной работы	Всего часов	Семестр
1	2	3
1.	Аудиторные занятия (всего)	84	30	28	26
	В том числе:
1.1	Лекции	29	15	14
1.2	Прочие занятия				-
	В том числе:
1.2.1	Практические занятия (ПЗ)	55	15	14	26
1.2.2	Семинары (С)
1.2.3	Лабораторные занятия (ЛР)
	Из них в интерактивной форме:	36	12	12	12
2	Самостоятельная работа (ак. часов)	132	42	44	46
	В том числе:
2.1	Курсовой проект (работа)
2.2	Расчетно-графические работы	54	14	20	20
2.3	Реферат
2.4	Подготовка и прохождение промежуточной аттестации	30	10	10	10
	Другие виды самостоятельной работы	48	18	14	16
3	Общая трудоемкость (ак. часов)	216	72	72	72
	Общая трудоемкость (зачетных единиц)	6	2	2	2

5. Содержание дисциплины

5.1. Содержание разделов дисциплины

№ п/п	Наименование раздела дисциплины	Содержание раздела
1.	Математическое моделирование и вычислительный эксперимент	Становление понятия вычислительного эксперимента в ходе развития измерительно-вычислительных комплексов. Развитие вычислительного эксперимента в физике сложных систем. Выбор физической модели. Построение математической модели. Разработка вычислительного алгоритма. Разработка прикладного программного обеспечения. Проведение вычислительного эксперимента. Анализ результатов численных экспериментов, сопоставление с результатами натурных экспериментов.
2	Методы моделирования одномерных систем	Кинетическое описание коллективных явлений в бесстолкновительной плазме. Уравнение Власова. Решение кинетических уравнений методом преобразований. Численное решение уравнения Власова. Метод «водяного мешка». Метод частиц для одномерных электростатических процессов в плазме. Общая схема метода частиц. Формирование начального распределения частиц. Алгоритм одномерного моделирования методом частиц в ячейке. Примеры моделирования одномерных плазменных систем. Одномерная электромагнитная модель плазмы. Численное решение уравнений движения частиц в электромагнитном поле. Коллективное ускорение ионов релятивистского плазменного сгустка.
3	Методы моделирования двумерных и трехмерных систем	Метод частиц в ячейке для двумерных и трехмерных электростатических процессов. Этапы разработки сложных программ. Общая схема метода частиц в ячейке для двумерных и трехмерных электростатических моделей. Примеры моделирования трехмерных плазменных систем.
4	Исследование параметров плазменных систем и ускорителей заряженных частиц посредством вычислительного эксперимента	Постановка вычислительного эксперимента. Проведение вычислительного эксперимента «Удержание и нагрев плазмы в открытых магнитных ловушках в условиях резонансов и авторезонансов». Общая схема эксперимента. Диагностики в вычислительном эксперименте.
5	Модели генерации многозарядных ионов в ЭЦР источниках	Элементарные процессы, протекающие в ЭЦР плазме. Время жизни ионов. Численные модели генерации МЗИ. Расчет зарядового состояния МЗИ в ЭЦР плазме.
6	Высокопроизводительные методы вычислений. Методы визуализации моделируемых процессов.	Параллельные вычисления в моделировании плазменных процессов методом частиц в ячейке. Визуализация движения заряженных частиц в электрических и магнитных полях различных пространственных и временных конфигураций.

5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами (последующих дисциплин нет)

№ п/п	Наименование обеспе-чиваемых (последую-щих) дисциплин	№ № разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1	2	3	4	5	6	7	8	…
1.
2.
…

5.3. Разделы дисциплины и виды занятий

№ п/п	Наименование раздела дисциплины	Лекц.	Практ. зан.	Лаб. зан.	Семин	СРС	Все-го час.
1.	Математическое моделирование и вычислительный эксперимент	2	-		-	2	4
2.	Методы моделирования одномерных систем	4	8		-	20	32
3	Методы моделирования двумерных и трехмерных систем	6	16		-	34	56
4	Исследование параметров плазменных систем и ускорителей заряженных частиц посредством вычислительного эксперимента	8	16		-	36	60
5	Модели генерации многозарядных ионов в ЭЦР источниках	4	8		-	20	32
6	Высокопроизводительные методы вычислений. Методы визуализации моделируемых процессов.	5	7		-	20	32

6. Лабораторный практикум (отсутствует)

№ п/п	№ раздела дисциплины	Наименование лабораторных работ	Трудо-емкость (час.)
1.
2.
3
4
5

7. Практические занятия (семинары)

№ п/п	№ раздела дисциплины	Тематика практических занятий (семинаров)	Трудо-емкость (час.)
1.	2	Решение уравнение Пуассона методом прогонки. Моделирование распространения ленгмюровских волн в одномерной плазме.	6
2.	2	Одномерная модель коллективного ускорения протонов и многозарядных ионов.	8
3.	3	Двумерная модель плазмы в условиях электронного циклотронного резонанса и гиромагнитного авторезонанса.	12
4.	3	Трехмерная модель плазмы, удерживаемой в зеркальной магнитной ловушке.	18
5.	4	Вычислительный эксперимент «Удержание и нагрев плазмы в открытых магнитных ловушках в условиях резонансов и авторезонансов».	20
6.	5	Численное моделирование генерации МЗИ в ЭЦР источниках. Расчет зарядового состояния МЗИ в ЭЦР плазме.	20
7.	12	Параллельные вычисления в моделировании плазмы удерживаемой в магнитных ловушках пробочного типа и ловушках с минимумом В.	20

8. Примерная тематика курсовых проектов (работ)

1.  Моделирование динамики бесстолкновительной плазмы методом «водяного мешка»

2.  Решение уравнения Власова методом преобразований.

3.  Разностные схемы численного решения уравнения Власова.

4.  Моделирование сильной ленгмюровской турбулентности.

5.  Применение метода частиц в ячейке для изучения открытых плазменных систем.

6.  Кинетические модели пылевой плазмы.

7.  Численные методы в магнитной гидродинамике.

8.  Моделирование взаимодействия «солнечного ветра» с магнитосферой Земли.

9.  Использование метода частиц в ячейке в моделировании галактик.

10.  Моделирование коллективного ускорения ионов.

11.  Параллельные и распределенные вычисления в моделировании плазмы.

12.  ЭЦР источники рентгеновского излучения.

13.  Ультраминиатюрный синхротрон – источник терагерцового синхротронного излучения.

14.  Системы экстракции многозарядных ионов в ЭЦР источниках.

15.  Повышение зарядового состава пучка ионов стабильных и радиоактивных изотопов при прохождении через плазменную среду.

9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:

а) основная литература:

1.  . , . Математическое моделирование и вычислительный эксперимент, Институт математического моделирования ММ РАН, 2000 (Интернет-публикация).

2.  http://www. imamod. ru/~vab/matmod/MatMod. htm

Сигов эксперимент: мост между прошлым и будущим физики плазмы. - М: Физматлит, 2001. 286 с. Вабищевич моделирование, Москва: МГУ. 1993. 152 с. Белоцерковский моделирование в механике сплошных сред –М:, Физматлит, 1994, 442 с. Днестровский Ю. Н., Костомаров моделирование плазмы.- М.: Наука, 1993, 335 с. Иствуд Дж. Численное моделирование методом частиц. - М: Мир, 1987. 480 с. Физика плазмы и численное моделирование. – М: Энергоатомиздат, 1989. 348 с. Вычислительные методы в физике.-М.: Наука, 1975.

10.  Основы физики плазмы. - М: Мир, 1975.

11.  Geller R. Electron Cyclotron Resonance Ion Sources and ECR Plasmas. IOP Publishing Ltd, 1996. 433 c.

12.  , Сушков электронные и ионные пучки. М.: Энергоатомиздат, 1991.

13.  Лоусон Дж. Физика пучков заряженных частиц. – М: Мир, 1980. 428 с.

б) дополнительная литература:

Самарский в численные методы. - М: Наука, 1987 , , Численное моделирование плазменных процессов. - М: Изд. РУДН, 2003. 126 с. Рошаль заряженных пучков. –М: Атомиздат, 1979, 224 с. Ораевский физики плазмы. Под ред. и : Энергоатомиздат, т. 2, 7, 1984. Вычислительные методы в физике плазмы. под редакцией - М: Мир, 1974, 111 с. , , Сотников плазмы, 32, 26, 2006. Andreev V. V., Umnov A. M. Plasma Sources Sci. Technol. 1999. V. 8. P. 479 – 487. Литвак теории плазмы. Под ред. . М.: Атомиздат, вып. 10, 164, 1980. , Туриков атомной науки и техники., №5, 185, 2007.

10.  Birdsall C. K. Particle-in-Cell Charged-Particle Simulations, Plus Monte Carlo Collisions With Neutral Atoms, PIC-MCC // IEEE Trans. Plasma Sci. — 1991, v. 19, n. 2, pp. 65 – 85.

11.  Dougar-Jabon V. D., Umnov A. M., escun Diaz // Rev Sci Instrum 73(2), 2002, 629-631.

12.  , , // Известия РАН. Серия Физическая, 2003, Т. 67, №9, с. 1314-1321.

Интернет-ресурсы

EqWold. Мир математических уравнений. http://eqworld. ipmnet. ru/ru/software. htm Математическое моделирование в естественных науках. http://mathmod. aspu. ru/?id=6&sub_id=1 Вычислительные методы и программирование. http://num-meth. srcc. Основы физики плазмы http://www. physics. ucla. edu/plasma-exp/ плазма в интернете http://plasma-gate. weizmann. ac. il/PlasmaI. html –

10. Материально-техническое и программное обеспечение дисциплины:

Персональные компьютеры Pentium-IV (10 станций), локальная сеть, выход в интернет, мультимедиа средства, проектор, интерактивная доска.

Программное обеспечение: Intel Visual Fortran v.11, Matlab, Maple. Авторская программа «Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях».

Электронные учебники «Современные методы вычислительного эксперимента в прикладной физике», «Современные численно-аналитические пакеты для сложных инженерно-физических вычислений»

Разработчики:

доцент экспериментальной физики

Должность, название кафедры, инициалы, фамилия)

___________________ __________________ _____________________

Должность, название кафедры, инициалы, фамилия)

Заведующий кафедрой экспериментальной физики

название кафедры, инициалы, фамилия