Динамика электронного пучка и плазмы в схемах кильватерного ускорения

• Автор: Лотов, Константин Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 178 с. : ил.

1 Программа ЬССШЕ
1.1 Геометрия задачи и модель пучка
1.2 Гидродинамическая модель плазмы
1.3 Кинетическая модель плазмы
1.4 Тестирование программы
2 Потоки энергии в плазме

3 Длинные пучки
3.1 Неустойчивость длинных сгустков
3.2 Самоорганизация длинных сгустков
4 Последовательность коротких сгустков
4.1 Построение оптимальной последовательности
4.2 Динамика драйвера
4 4.3 Динамика ускоряемого пучка
4.4 Об ионизационных потерях ускоряемого сгустка
4.5 Резюме
5 Нелинейный Ыоши<;-режим
5.1 Суб-режимы взаимодействия пучка и плазмы
5.2 Аналитика для сильного пучка

5.3 Геометрические параметры каверны
5.4 Энергетика сильно нелинейного режима
5.5 Структура поля в конце каверны
6 Модель бесконечно длинного пучка
6.1 Реакция плазмы на пучок в отсутствие внешнего магнитного
поля
6.1.1 Исходные уравнения
6.1.2 Реакция плазмы на гауссовские пучки
6.1.3 Резюме
6.2 Ионные каналы в замагниченной плазме
6.2.1 Постановка задачи и основные уравнения
6.2.2 Плоские ионные каналы
6.2.3 Осесимметричные ионные каналы
6.3 Плазменная компенсация эффектов встречи
Ф 6.3.1 Идея метода
6.3.2 Учет нелинейности отклика плазмы
6.3.3 Ограничения на параметры пучков
6.3.4 Область применимости плазменной компенсации
7 Эффективный режим
7.1 Результаты моделирования
7.2 Возможность экспериментальной реализации
8 Заключение

Допустимые электрические поля в металлических ускоряющих структурах ограничены величиной порядка 100 МВ/м [1]. Дальнейшее повышение темпа набора энергии сталкивается с проблемой пробоя внутри ВЧ-структуры. В связи с приближением к пределу возможностей традиционных схем в последнее время растет интерес к коллективным методам ускорения, и, в частности, к плазменному кильватерному ускорению (см. оригинальные работы [2, 3] и обзоры [4-13]). Технологии, о которых пойдет речь в данной работе, способны обеспечить ускорение значительного числа заряженных частиц электрическим полем масштаба нескольких ГВ/м на протяжении многих метров и, таким образом, могут рассматриваться в качестве альтернативы традиционным ВЧ-системам в физике высоких энергий.
Электрическое поле, пригодное для ускорения заряженных частиц, возникает в плазме после прохождения драйвера — заряженного релятивистЩр'’’ ускоряющий сгусток г (драйвер)
^ (витнесс)
ускоряемый сгусток
Рис. 1: Схема кильватерного ускорения с электронными сгустками. Точками показаны электроны плазмы.
углубляется (это можно видеть из Рисунка 4.3, поскольку Ф есть интеграл от Ёг). Изменение глубины ямы не является адиабатическим (медленным) по сравнению с периодом радиальных колебаний частиц в ней. Как следствие, некоторые частицы приобретают поперечный импульс, достаточный для вылета из ямы (хотя количество таких частиц невелико).
Интересно отметить, что в установившемся состоянии радиус сгустков примерно постоянен (Рис. 4.3с), в то время как угловой разброс растёт с увеличением фокусирующей силы (Рис. 4.6). Радиальное распределение плотности сгустков оказывается существенно негауссовским и сильно пикировано вблизи оси (Рис. 4.5).
На втором этапе (£ < тр) форма сгустков и угловое распределение частиц не претерпевают резких изменений, меняется только энергия сгустков (Рис. 4.7а). Медленное уменьшение электрического поля (Рис. 4.4) объясняется радиальным уходом частиц. В нашем случае второму этапу соответствуют времена 1000 < £ < 5000.
На третьем этапе происходит постепенное разрушение драйвера. Главная причина тому — уход по радиусу потерявших энергию частиц. Рас-

-40 -30 -20 -10 ~
Рис. 4.6: Радиальный импульс частиц драйвера как функция продольной координаты в момент времени £ = 4000 а;“1 (показана каждая десятая макрочастица).