Algorithms of motion in the particle-in-cell method

В настоящей работе представлен новый метод решения уравнений движения заряженных частиц в электромагнитных полях и проведено его сравнение с различными известными модификациями метода Бориса. Созданные двумерный и трехмерный алгоритмы основаны на использовании точного решения дифференциального уравнения для скорости заряженной частицы на шаге по времени. Сравнительный анализ метода Бориса и его модификаций проводился как по точности методов, так и по времени их работы. Новая модификация метода Бориса позволяет точнее вычислять траекторию и скорость заряженной частицы без значительного увеличения сложности расчетов. Показано, что при выборе модификации метода Бориса для решения задачи в первую очередь следует обращать внимание на точность решения, так как более простая и быстрая схема может не дать выигрыша по времени. The article proposes a new method for solving the equations of motion of charged particles in electromagnetic fields and compares this method with various known modifications of the Boris method. The created two-dimensional and three-dimensional algorithms are based on the use of an exact solution of the differential equation for the velocity of a charged particle at a time step. A comparative analysis of the Boris method and its modifications was carried out both in terms of the accuracy of the methods and the time of their operation. A new modification of the Boris method allows more accurate calculations of the trajectory and velocity of a charged particle without a significant increase in the complexity of calculations. It is shown that, when choosing a modification of the Boris method to solve a problem, one should pay attention first of all to the accuracy of the solution, since a simpler and faster scheme may not give a gain in time.