We introduce the Highly efficient Plasma Accelerator Emulation (HiPACE) code. It is a relativistic, electromagnetic, three-dimensional and fully parallelized particle-in-cell (PIC) code and uses the quasi-static approximation to efficiently simulate a variety of beam-driven plasma-wakefield acceleration scenarios. HiPACE exploits the disparity of time scales in the interaction of highly relativistic particle beams with plasma to decouple beam and plasma evolution. This enables time steps which are many times greater than those used in full PIC codes. Comparisons to the fully explicit PIC code OSIRIS show the capability of the quasi-static PIC code to consistently simulate problems in beam-driven plasma acceleration while reducing the required number of core hours by orders of magnitude. This work outlines the physical basis, describes the numerical implementation and assesses the parallel performance of the code which in combination lead to high computational efficiency.
我々は、高効率プラズマ加速エミュレーション（HiPACE）コードを紹介する。これは、相対論的・電磁気的・三次元的かつ完全並列化された粒子インセル（PIC）コードであり、準静的近似を用いて、ビーム駆動プラズマ航跡場加速の多様なシナリオを効率的にシミュレーションする。HiPACEは、高エネルギー粒子ビームとプラズマの相互作用における時間スケールの差異を利用し、ビームの進化とプラズマの進化を分離して扱う。これにより、完全なPICコードで用いられる時間ステップよりもはるかに大きな時間ステップを可能にする。完全陽解法PICコードであるOSIRISとの比較により、本準静的PICコードが、ビーム駆動プラズマ加速の問題を一貫してシミュレーションできること、および必要となるコア時間を桁違いに削減できることが示された。本論文では、その物理的基礎を概説し、数値的実装を記述し、並列性能を評価する。これらの要素が組み合わさることで、高い計算効率が実現される。