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Elimination of numerical Cherenkov instability in flowing-plasma particle-in-cell simulations by using Galilean coordinates

机译：使用伽利略坐标消除流动等离子细胞内粒子模拟中的数值Cherenkov不稳定性

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Particle-in-cell (PIC) simulations of relativistic flowing plasmas are of key interest to several fields of physics (including, e.g., laser-wakefield acceleration, when viewed in a Lorentz-boosted frame) but remain sometimes infeasible due to the well-known numerical Cherenkov instability (NCI). In this article, we show that, for a plasma drifting at a uniform relativistic velocity, the NCI can be eliminated by simply integrating the PIC equations in Galilean coordinates that follow the plasma (also sometimes known as comoving coordinates) within a spectral analytical framework. The elimination of the NCI is verified empirically and confirmed by a theoretical analysis of the instability. Moreover, it is shown that this method is applicable both to Cartesian geometry and to cylindrical geometry with azimuthal Fourier decomposition.
机译：相对论流动等离子体的细胞内粒子（PIC）模拟是物理学的几个领域（包括在洛伦兹增强框架中观察到的激光-苏克场加速度）引起的重大关注，但由于井眼条件良好，有时仍不可行已知的数值Cherenkov不稳定性（NCI）。在本文中，我们表明，对于等离子体以相对论速度均匀漂移的情况，可以通过在光谱分析框架内简单地将PIC方程集成在遵循等离子体的加利利坐标中（有时也称为同移动坐标）来消除NCI。 NCI的消除通过经验进行验证，并通过对不稳定性的理论分析加以确认。而且，表明该方法既适用于笛卡尔几何形状又适用于具有方位傅里叶分解的圆柱几何形状。

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