Quill – трёхмерный численный КЭД-код, реализующий метод «частиц в ячейках»

Quill (simulator for QUantum effects in Intense Laser-pLasma interactions) – полностью трёхмерный параллельный код, реализующий метод «частиц в ячейках» (particle-in-cell, PIC), разработанный в Институте прикладной физики РАН. Насколько нам известно, это первый PIC-код, где был реализован квантовоэлектродинамический (КЭД) Монте-Карло-алгоритм для исследования развития электронно-позитронных каскадов в электромагнитном поле.

Исходный код опубликован по адресу: github.com.

В коде возможно моделирование следующих процессов с использованием метода Монте-Карло:

  • излучение фотонов электронами в сильных полях, а также эффекты «радиационного трения»;
  • рождение электронно-позитронных пар гамма-фотонами (процесс Брейта-Уилера);
  • рождение электронно-позитронных пар из вакуума в экстремально сильных полях;
  • полевая ионизация.

Для решения уравнений Максвелла могут использоваться алгоритмы FDTD, NDFX (реализованный в коде VLPL А. Пухова DOI: 10.1017/S0022377899007515) и гибридный 5-точечный FDTD (данная схема подавляет черенковскую неустойчивость DOI: 10.1088/1742-6596/1692/1/012002). Движение квазичастиц в коде может описываться алгоритмами Бориса, Вея и Игеры-Кэри.

Публикации с результатами, полученными с помощью Quill:

E.N. Nerush, I.Yu. Kostyukov, et al. Laser Field Absorption in Self-Generated Electron-Positron Pair Plasma // Phys. Rev. Lett. 106, 035001 (2011).
Е.Н. Неруш, И.Ю. Костюков. Моделирование эффектов квантовой электродинамики в сверхсильном лазерном поле // Вопросы атомной науки и техники 68(4), 3–7 (2010).
E.N. Nerush, I.Yu. Kostyukov. Carrier-envelope phase effects in plasma-based electron acceleration with few-cycle laser pulses // Phys. Rev. Lett. 103, 035001 (2009).
N.V. Elkina, A.M. Fedotov, and I.Yu. Kostyukov, et al. QED cascades induced by circularly polarized laser fields // Phys. Rev. S.T.A.B. 14, 054401 (2011).
A. Samsonov, A. Pukhov, and I. Kostyukov. Superluminal phase velocity approach for suppression of Numerical Cherenkov Instability in Maxwell solver // J. Phys.: Conf. Ser. 1692, 012002 (2020).
A.A. Soloviev, M.V. Starodubtsev, et al. Two-screen single-shot electron spectrometer for laser wakefield accelerated electron beams // Rev. Sci. Instrum. 82, 043304 (2011).
V.F. Bashmakov, E.N. Nerush, I.Yu. Kostyukov, et al. Effect of laser polarization on quantum electrodynamical cascading // Phys. Plasmas 21, 013105 (2014).
E.N. Nerush, I.Yu. Kostyukov, et al. Gamma-ray generation in ultrahigh-intensity laser-foil interactions // Phys. Plasmas 21, 013109 (2014).
E.N. Nerush, I.Yu. Kostyukov. Laser-driven hole boring and gamma-ray emission in high-density plasmas // Plasma Phys. Control. Fusion 57(3), 035007 (2015).
D.A. Serebryakov, E.N. Nerush, and I.Yu. Kostyukov. Incoherent synchrotron emission of laser-driven plasma edge // Phys. Plasmas 22, 123119 (2015).
A.A. Golovanov, I.Yu. Kostyukov, et al. Beam loading in the bubble regime in plasmas with hollow channels // Phys. Plasmas 23, 093114 (2016).
Д.А. Серебряков, Е.Н. Неруш. Эффективная генерация гамма-излучения при наклонном падении сверхмощных лазерных импульсов на плоский плазменный слой // Квантовая электроника 46 (4), 299–304 (2016).
I.I. Artemenko, I.Yu. Kostyukov. Ionization-induced laser-driven QED cascade in noble gases // Phys. Rev. A 96, 032106 (2017).
A.S. Samsonov, E.N. Nerush, and I.Yu. Kostyukov. Laser-driven vacuum breakdown waves // Scientific Reports 9(1), 1–11 (2019).
D.A. Serebryakov, T.M. Volkova, E.N. Nerush, and I.Yu. Kostyukov. Efficient gamma-ray source from solid-state microstructures irradiated by relativistic laser pulses // Plasma Phys. Control. Fusion 61(7), 074007 (2019).
A.S. Samsonov, I.Yu. Kostyukov, and E.N. Nerush. Hydrodynamical model of QED cascade expansion in an extremely strong laser pulse // Matter and Radiation at Extremes 6(3), 034401 (2021).
A.S. Samsonov, E.N. Nerush, and I.Yu. Kostyukov. Beamstrahlung-enhanced disruption in beam-beam interaction // New Journal of Physics 23, 103040 (2021).