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相对论电子束在动态加载等离子体中的自聚焦传输

苏东 唐昌建

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相对论电子束在动态加载等离子体中的自聚焦传输

苏东, 唐昌建

Self-focus and transmission of relativistic electron beam in a dynamically loaded plasma

Su Dong, Tang Chang-Jian
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  • 为了进一步研究相对论电子束-离子通道辐射实验和理论的需要, 研究了相对论电子束入射中性气体以及通过碰撞电离动态加载等离子体实现对高能束流的自聚焦传输过程PIC(particle in cell) 模拟发现, 电子束电离出的离子背景能够实现对电子束的聚焦传输. 但是离子背景横向和纵向的不均匀性对束流的传输特性有显著影响. 在此基础之上, 提出了电子束在横向不均匀离子背景中传输的理论模型, 给出了束流的自聚焦条件.数值计算结果表明, 横向不均匀性会导致电子束的混合相位传输, 使得焦点附近内层电子可能跑到电子束外而被散焦损失, 这与PIC模拟的结果相符. 此外, PIC模拟还发现, 由于电子束的自聚焦, 在焦点处将电离出更多的离子而引起纵向不均匀性, 纵向不均匀性使得碰撞后的低能电子被俘获, 俘获电子效应会大幅降低电子束的传输效率. 但是俘获电子在纵向呈准周期分布, 对传输电子起到静电Wiggler场的作用, 可能实现静电Wiggler场的动态加载. 研究结果对于进一步研究电子束-等离子体系统的实验以及理论模型提出有一定的参考价值.
    In order to further study the radiation of the relativistic electron beam-ion channel experimentally and theoretically, the propagation of a relativistic electron beam in neutral gas and its self-focusing process are investigated. Particle in cell (PIC) simulation shows that the electron beam can self-focus and transmit the dynamically loaded plasma through impact ionization. The transverse and the longitude inhomogeneities of the ion background have significant effects on the transport properties of the electron beam. Base on these researches, a model of transmission of electron beam in a transverse non-uniform ion background is supposed. And the condition of self-focus is given. The numerical results show that the transverse inhomogeneity will lead to the mixed phase transmission of the electron beam, and the inner electrons can defocus near the focus point, which is consistent with the PIC simulation. The PIC simulation also shows that due to the self-focusing of the electron beam, there are much more ions to be ionized at the focus point, which will capture the lower-energy electrons after collision, the capture electron effect will significantly reduce the efficiency of the transmission of the electron beam. But the distribution of the captured electrons in the longitude direction is quasi-periodic, which acts as the electrostatic Wiggler field. These may achieve the dynamical loading of the electrostatic Wiggler field. These results give new clues to the further study of electron beam-plasma system in experiment and the establishment of theoretical models.
    • 基金项目: 科技部重大专项项目(批准号:2009GB105003) 资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Science and Technology Major Project of the Ministry of Science and Technology of China (Grant No. 2009GB105003).
    [1]

    Bohm D, Gross E P 1949 Phys. Rev. 15 1864

    [2]

    Achiezer A J, Fainberg Y B 1950 Doklady AN USSR 73(I) 555

    [3]

    Zavjalov M A, Mitin L A, Perevodchikov V I, Tskhai V I, Shapiro A L 1994 IEEE Trans. Plasma Sci. 22 600

    [4]

    Goebel D M 1999 IEEE Trans. Plasma Sci. 27 800

    [5]

    Rouhani M H, Maraghechi 2006 Phys. Plasmas 13 083101

    [6]

    Wang B, Tang C J, liu P K 2006 Acta Phys. Sin. 55 5953 (in Chinese) [王斌, 唐昌建, 刘濮鲲 2006 物理学报 55 5953]

    [7]

    Su D, Tang C J, Liu P K 2007 Acta Phys. Sin. 56 2802 (in Chinese) [苏东, 唐昌建, 刘濮鲲 2007 物理学报 56 2802]

    [8]

    Su D, Tang C J 2009 Phys. Plasmas 16 053101

    [9]

    Mirzanejhad S, Sohbatzadeh Ghasemi F M, Sedaghat Z, Mahdian Z 2010 Phys. Plasma 17 053106

    [10]

    Wang Z Y, Tang C J 2010 Phys. Plasmas 17 083114

    [11]

    Bret A, Gremillet L, Dieckmann M E 2010 Phys. Plasmas 17 120501

    [12]

    Su D, Tang C J 2011 Phys. Plasmas 18 023104

    [13]

    Ng J S T , Chen P, Baldis H, BoltonP, Cline D, CraddockW, Crawford C, Decker F J, Field C, Fukui Y, Kumar V, Iverson R, King F, Kirby R E, Nakajima K, Noble R, Ogata A, Raimondi P, Walz D, Weidemann A W 2001 Phys. Rev. Lett. 87 244801

    [14]

    Barov N, Rosenzweig J B, Conde M E, Gai W, Power J G 2000 Phys. Rev. Special Topics Accel. Beams 3 011301

    [15]

    Amiranoff, Bernard D, Cros B, Jacquet F, Matthieussent G, Mine P, Mora P, Morillo J, Moulin F 1995 Phys. Rev. Lett. 74 5220

    [16]

    Lindberg R R, Charman A E, Wurtele J S 2004 Phys. Rev. Lett. 93 5

    [17]

    Song F L, Zhang Y H, Xiang F, Chang A B 2008 Acta Phys. Sin. 57 1807 (in Chinese) [宋法伦, 张永辉, 向飞, 常安碧 2008 物理学报 57 1807]

    [18]

    Goebel D M, Ponti E S, Feicht J R, Watkins R M 1996 Intense Microwave Pulses IV 69 2843

    [19]

    Zhou H F, Tang C J 2008 High Power Laser and Particle Beams 20 147 (in Chinese) [周华芳, 唐昌建 2008 强激光与粒子束 20 147]

    [20]

    Barker R J 4I?, ±D2 (è) 2005 High-power Microwave Sources and Technologies, First edition(Beijing: Tsinghua University Press)p256, 258 (in Chinese) [刘国志, 周传明 译2005 高功率微波源与技术 第一版(北京: 清华大学出版社)第256,258页]?]

  • [1]

    Bohm D, Gross E P 1949 Phys. Rev. 15 1864

    [2]

    Achiezer A J, Fainberg Y B 1950 Doklady AN USSR 73(I) 555

    [3]

    Zavjalov M A, Mitin L A, Perevodchikov V I, Tskhai V I, Shapiro A L 1994 IEEE Trans. Plasma Sci. 22 600

    [4]

    Goebel D M 1999 IEEE Trans. Plasma Sci. 27 800

    [5]

    Rouhani M H, Maraghechi 2006 Phys. Plasmas 13 083101

    [6]

    Wang B, Tang C J, liu P K 2006 Acta Phys. Sin. 55 5953 (in Chinese) [王斌, 唐昌建, 刘濮鲲 2006 物理学报 55 5953]

    [7]

    Su D, Tang C J, Liu P K 2007 Acta Phys. Sin. 56 2802 (in Chinese) [苏东, 唐昌建, 刘濮鲲 2007 物理学报 56 2802]

    [8]

    Su D, Tang C J 2009 Phys. Plasmas 16 053101

    [9]

    Mirzanejhad S, Sohbatzadeh Ghasemi F M, Sedaghat Z, Mahdian Z 2010 Phys. Plasma 17 053106

    [10]

    Wang Z Y, Tang C J 2010 Phys. Plasmas 17 083114

    [11]

    Bret A, Gremillet L, Dieckmann M E 2010 Phys. Plasmas 17 120501

    [12]

    Su D, Tang C J 2011 Phys. Plasmas 18 023104

    [13]

    Ng J S T , Chen P, Baldis H, BoltonP, Cline D, CraddockW, Crawford C, Decker F J, Field C, Fukui Y, Kumar V, Iverson R, King F, Kirby R E, Nakajima K, Noble R, Ogata A, Raimondi P, Walz D, Weidemann A W 2001 Phys. Rev. Lett. 87 244801

    [14]

    Barov N, Rosenzweig J B, Conde M E, Gai W, Power J G 2000 Phys. Rev. Special Topics Accel. Beams 3 011301

    [15]

    Amiranoff, Bernard D, Cros B, Jacquet F, Matthieussent G, Mine P, Mora P, Morillo J, Moulin F 1995 Phys. Rev. Lett. 74 5220

    [16]

    Lindberg R R, Charman A E, Wurtele J S 2004 Phys. Rev. Lett. 93 5

    [17]

    Song F L, Zhang Y H, Xiang F, Chang A B 2008 Acta Phys. Sin. 57 1807 (in Chinese) [宋法伦, 张永辉, 向飞, 常安碧 2008 物理学报 57 1807]

    [18]

    Goebel D M, Ponti E S, Feicht J R, Watkins R M 1996 Intense Microwave Pulses IV 69 2843

    [19]

    Zhou H F, Tang C J 2008 High Power Laser and Particle Beams 20 147 (in Chinese) [周华芳, 唐昌建 2008 强激光与粒子束 20 147]

    [20]

    Barker R J 4I?, ±D2 (è) 2005 High-power Microwave Sources and Technologies, First edition(Beijing: Tsinghua University Press)p256, 258 (in Chinese) [刘国志, 周传明 译2005 高功率微波源与技术 第一版(北京: 清华大学出版社)第256,258页]?]

  • [1] 范海玲, 郭志坚, 李明强, 卓红斌. 等离子体中涡旋光束自聚焦与成丝现象的模拟研究. 物理学报, 2023, 72(1): 014206. doi: 10.7498/aps.72.20221232
    [2] 吴凤娟, 周维民, 单连强, 李芳, 刘东晓, 张智猛, 李博原, 毕碧, 伍波, 王为武, 张锋, 谷渝秋, 张保汉. 强激光与锥型结构靶相互作用准直电子束粒子模拟研究. 物理学报, 2014, 63(9): 094101. doi: 10.7498/aps.63.094101
    [3] 林峰, 谭超, 周元, 傅喜泉. 非线性介质中强光对弱光聚焦的控制研究. 物理学报, 2013, 62(14): 144208. doi: 10.7498/aps.62.144208
    [4] 吴洋, 许州, 周霖, 李文君, 唐传祥. W波段扩展互作用速调管放大器的模拟与设计. 物理学报, 2012, 61(22): 224101. doi: 10.7498/aps.61.224101
    [5] 闫春燕, 张秋菊, 罗牧华. 激光与相对论电子束相互作用中阿秒X射线脉冲的产生. 物理学报, 2011, 60(3): 035202. doi: 10.7498/aps.60.035202
    [6] 王振宇, 唐昌建. 离子通道摇摆电子束流激发的纵向慢波不稳定性. 物理学报, 2011, 60(5): 055204. doi: 10.7498/aps.60.055204
    [7] 董克攻, 谷渝秋, 朱斌, 吴玉迟, 曹磊峰, 何颖玲, 刘红杰, 洪伟, 周维民, 赵宗清, 焦春晔, 温贤伦, 张保汉, 王晓方. 超强飞秒激光尾波场加速产生58 MeV准单能电子束实验. 物理学报, 2010, 59(12): 8733-8738. doi: 10.7498/aps.59.8733
    [8] 刘静, 舒挺, 李志强. 电子束空间极限电流的非线性理论研究. 物理学报, 2010, 59(4): 2622-2628. doi: 10.7498/aps.59.2622
    [9] 刘静, 舒挺, 李志强. 层流平衡相对论电子束束流特性的数值计算. 物理学报, 2010, 59(3): 1895-1901. doi: 10.7498/aps.59.1895
    [10] 王慧巧, 俞连春, 陈勇. 离子通道噪声对神经元新陈代谢能量的影响. 物理学报, 2009, 58(7): 5070-5074. doi: 10.7498/aps.58.5070
    [11] 宋法伦, 张永辉, 向 飞, 常安碧. 强流电子束碰撞电离背景气体研究. 物理学报, 2008, 57(3): 1807-1812. doi: 10.7498/aps.57.1807
    [12] 王振宇, 唐昌建. 离子通道中环形束流分布与场解的自洽理论. 物理学报, 2007, 56(6): 3313-3317. doi: 10.7498/aps.56.3313
    [13] 王伟民, 郑春阳. 超强短脉冲激光在不同密度分布等离子体中的自聚焦. 物理学报, 2006, 55(1): 310-320. doi: 10.7498/aps.55.310
    [14] 王 斌, 唐昌建, 刘濮鲲. 离子通道中相对论电子注的切连科夫辐射. 物理学报, 2006, 55(11): 5953-5958. doi: 10.7498/aps.55.5953
    [15] 卓红斌, 胡庆丰, 刘 杰, 迟利华, 张文勇. 超短脉冲激光与稀薄等离子体相互作用的准静态粒子模拟研究. 物理学报, 2005, 54(1): 197-201. doi: 10.7498/aps.54.197
    [16] 黄春福, 郭儒, 刘思敏, 舒强, 高垣梅, 汪大云, 刘照红, 张小华, 陆猗. 在LiNbO3:Fe晶体中暗辐照对光束从自散焦向自聚焦转换过程的影响. 物理学报, 2004, 53(5): 1367-1372. doi: 10.7498/aps.53.1367
    [17] 刘思敏, 汪大云, 赵红娥, 李祖斌, 郭儒, 陆猗, 黄春福, 高垣梅. 从自散焦到自聚焦的动态转换和相位共轭亮空间孤子. 物理学报, 2002, 51(12): 2761-2766. doi: 10.7498/aps.51.2761
    [18] 江瑛, 刘思敏, 温海东, 张心正, 郭儒, 陈晓虎, 许京军, 张光寅. 光生伏打LiNbO3:Fe晶体从自散焦到等效“自聚焦”的动态转换. 物理学报, 2001, 50(3): 483-488. doi: 10.7498/aps.50.483
    [19] 文双春, 范滇元. 增益(损耗)介质中高功率激光束的小尺度自聚焦理论研究. 物理学报, 2000, 49(7): 1282-1286. doi: 10.7498/aps.49.1282
    [20] 方光宇, 宋瑛林, 王玉晓, 张学如, 曲士良, 李淳飞, 宋礼成, 胡青眉, 刘鹏程. 富勒烯衍生物中的自散焦、自聚焦及其相互转化. 物理学报, 2000, 49(8): 1499-1502. doi: 10.7498/aps.49.1499
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出版历程
  • 收稿日期:  2011-03-23
  • 修回日期:  2011-05-18
  • 刊出日期:  2012-02-05

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