文|顾煜祺

编辑|顾煜祺

前言

使用细胞内粒子模拟研究了在磁化等离子体中移动的离子束脉冲的尾场和停止本领，射束速度和密度对尾场和阻止本领的影响，除了纵向倒V形尾迹外，当低密度和低速脉冲在磁场存在的情况下在等离子体中移动时，会观察到强烈的哨声波。

由于来自这些哨声波的阻力，相应的阻止能力得到增强，随着光束速度的增加，哨声波消失，只观察到倒V形尾流，与各向同性等离子体相比，相应的阻止本领有所降低。

当高密度脉冲在磁化等离子体中传输时，低速脉冲的哨声波被极大地抑制，高速脉冲的哨声波消失，磁场会降低所有高密度情况下的停止能力。

带电粒子与磁化等离子体

几十年来，了解带电粒子与磁化等离子体的相互作用一直是研究人员的一个有趣主题。带电粒子激发的离子束和等离子体波的阻止本领对于基础物理学和许多应用很重要，例如离子束的电子冷却、离子束驱动的惯性约束聚变和磁约束聚变等离子体中的中性束注入。

当带电粒子被注入等离子体时，尾场会呈现出由等离子体电子对带电粒子扰动的响应而产生的特征结构，尾场的结构在等离子体尾场加速器中很重要，其中由离子束引起的尾场可用于加速带电粒子。

对于各向同性等离子体，开发了分析电子流体模型来描述等离子体对传播离子束的响应。他们表明，离子束被等离子体中和，并在尾场区域形成V形锥体结构。

当离子束在磁化等离子体中移动时，尾迹会更加复杂，当强磁场垂直于测试带电粒子的轨迹施加时，尾场是高度不对称的。

对于平行于外磁场运动的离子束，尾流失去了典型的V形锥体结构，呈现出倒V形结构，进行了线性理论分析，证明当磁场强度满足时。

电磁波场扰动倾斜于光束轴传播被激发ωce>2βbωp并且离子束脉冲足够长升b Vb/ωp，这里ωce和ωp分别是电子回旋频率和电子等离子体频率，βb=Vb/c是归一化为光速的离子束速度，并且升b是离子束脉冲的长度。

关于在磁化等离子体中移动的离子的另一个重要量是阻止本领，它被定义为每单位路径长度的能量变化d乙/天秒，当脉冲在磁化等离子体中传输时，等离子体电子的运动在磁场方向上受到限制。

对于低离子速度(V0<10Vth)，在电子等离子体中发现了横向于磁场移动的离子的阻止本领的增强，其中Vth=(k乙吨电子/米电子)1/2是等离子体电子的热速度。

如果离子平行于磁场移动，则能量损失会减少。此外，集体效应对磁化等离子体中的高密度光束脉冲传输起着重要作用。

事实上，加强磁场会降低低密度和高密度脉冲的阻止能力。在中等束流密度区域，阻止本领在弱磁场中增加，但在强磁场中减少。

在研究中，进行了2-D3V细胞内粒子(PIC)模拟，以研究氢离子束脉冲纵向移动穿过氢磁化双组分等离子体的过程。

不同速度和密度的离子束脉冲对尾场和阻止本领的影响，所有模拟都是使用代码VORPAL进行的。

细胞内粒子模拟方法

将等离子体视为带电粒子的集合，配置为二维等离子体板。外部磁场乙应用于等离子体是均匀的，并沿着X-轴。

模拟区域范围从x=0到x=大号X和是=0到是=大号是.最初，等离子体（包括等离子体电子和离子）被放置在模拟箱中；离子束脉冲从左侧进入并在X-具有初始速度的方向Vb，仿真使用2-D3V电磁PIC码。

所有模拟均使用VORPAL软件进行，模拟框沿800条网格线进行网格化X轴和512条网格线是-轴。

空间和时间步长设置为dx=d是=λ电子=5.25 10 5米和dt=9.1 10 14s分别满足Courant-Friedrichs-Lewy极限，其中λ电子=(ε0钾乙吨0/否0电子2个)1/2是等离子体电子的德拜长度。

在模拟中，每个细胞中放置了50个超粒子。中的周期性边界条件是-方向和开放边界条件X-方向被采用。等离子体由电子和H离子组成。均匀的等离子体密度否0=否我0=2.0 1017米 3和初始等离子体温度吨0=吨我0=10eV分别用于电子和离子。

由质子组成的离子束具有服从高斯分布的分布密度：否b(x,y)=ρ0exp(-((x-X0)2个/(大号b/2)2个))实验(-((是 是0)2个/R2个b))。

其中长度大号b=40 λ电子和半径Rb=2 λ电子，所有粒子都被认为是带电棒在坐标平面，模拟跟踪每个粒子的以下坐标：X,是,VX,V是，和Vz，这部分用于3-D模型。

在每个时间步，能量损失 E和旅行路线Δs记录每个注入的离子。每个离子的停止本领通过平均计算 E/Δs在整个模拟和所有粒子上。

仿真结果与讨论

束流密度小于电子密度时束流速度对尾场和阻止本领的影响ρ0=1.0 1017米 3首先研究（线性情况）。

当束速为Vb=0.025摄氏度（满足大号b Vb/ωp)，在一开始，观察到倾斜于光束轴传播的哨子波场的扰动，这与中的线性理论分析预测一致。

什么时候吨=1.4，尾流呈现哨声波，但在轨迹后面看不到明显的结构，当吨=2.1ns，除了哨声波外，还观察到倒V形锥体结构。

为了进一步研究磁场对尾场的影响，比较了由离子束脉冲在各向同性等离子体和磁化等离子体中移动引起的电尾场。

在B=0.0T，尾流在脉冲后表现出波动。然而，在B=1.0T，尾迹显示倒V形锥体和哨子波结构，而且，哨子波的振幅大于倒V型波动的振幅，给出了各向同性和磁性情况下沿脉冲轨迹的相应纵向电场。

对于低密度和低速束脉冲，离子束脉冲的长度远大于电子等离子体波激发的波长，大号b Vb/ωp，因此，两种情况下，静电电子等离子体波激发都受到显着抑制，离子束脉冲后面没有明显的波。

注入带磁场的磁化等离子体的离子束脉冲的时间演化B=1.0T，注射速度V0=0.025摄氏度和光束密度ρ0=1.0 1017米 3.电场乙我和( 104个显示在三个不同时间点由脉冲引起的V/m)。

对于更高的速度，V0=0.15摄氏度(大号b Vb/ωp)，结果给出了同位素等离子体中的尾场和磁化等离子体中的尾场，其中观察到倒V形锥体结构时B=1.0T的结构相比，尾流区的哨声波消失了。

这是因为对于高速束脉冲，静电电子等离子体波激发起主导作用，两种情况下沿轨迹的纵向电场，在存在磁场的情况下，尾场明显受到抑制，这是因为等离子体电子在垂直于磁场的方向上受到限制。

电场等高线图乙我和( 104个V/m)在由带电粒子以射束速度在等离子体中移动引起的尾场区域中V0=0.15摄氏度,光束密度ρ0=1.0 1017米 3,和时间t=0.68ns对于(a)B=0.0T和(b)B=1.0T.(c)沿脉冲轨迹的相应纵向电场，蓝线是B=0.0T，红线是B=1.0T。

不同磁场下每个脉冲离子的阻止本领对射束速度的依赖性，B=0.0吨和B=1.0T.请注意，对于低速光束（V0<0.05摄氏度),磁场的存在增强了制动力。

这是因为在存在磁场的情况下，哨声波会被离子束脉冲激发。这些尾流将光束拉回并增强了制动力，随着速度增加（V0>0.05摄氏度)，阻止本领在磁场存在时减弱。

每个离子的阻止本领作为射束速度的函数ρ0=1.0 1017米 3与不同的磁场，黑色方块对应B=0.0T和红圈到B=1.0T.该线是模拟数据的线性拟合。

上述讨论主要涉及脉冲密度小于等离子体中电子密度的情况，当光束脉冲的密度远高于电子的密度时，集体效应和屏蔽电子起着重要作用。

显示了各向同性等离子体和磁性等离子体在ρ0=2.0 1018米 3和V0=0.025摄氏度.在B=0.0T，尾流在脉冲后呈现典型的V形结构；在B=1.0T，观察到哨子波。

但是，哨声波的振幅明显减小，这是因为对于在等离子体中传播的高密度脉冲，集体效应引起的非线性扰动削弱了哨声波激发。沿轨迹的纵向电场。

如上所述，尾场在磁场存在的情况下被抑制，从更高速度的结果来看，当V0=0.15摄氏度，当B=0.0T，倒V形锥体结构出现时B=1.0T。

随着速度的增加，哨声波消失，沿轨迹的纵向电场，在存在磁场的情况下，尾场的振幅明显减小。

这是因为，在磁场中，更多的电子被限制在横向方向上，不能主动响应脉冲的吸引，磁场减少了离子束脉冲的屏蔽，随着电子屏蔽减弱，离子束脉冲的集体效应变得显着，增强了电子俘获并抑制了尾场的波动。

束流密度时每个脉冲离子的阻止本领ρ0=2.0 1018米 3.显示了各向同性和磁化等离子体中的脉冲结果以供比较。

可以看出，对于高密度脉冲，磁场会降低所有光束速度的阻止本领，发生此行为是因为磁场减少了离子束脉冲的屏蔽。

随着电子屏蔽效应的减弱，离子束脉冲的集体效应变得更加显着，这增强了电子捕获过程，因此降低了停止能力，对于低速脉冲，当V0=0.025摄氏度,哨声波激励被抑制,导致停止能力降低。

每个离子的阻止本领作为射束速度的函数ρ0=2.0 1018米 3与不同的磁场，黑色方块对应B=0.0T和红圈到B=1.0T.该线是模拟数据的线性拟合。

2-D3VPIC模拟来研究在磁化等离子体中移动的离子束脉冲的尾场和停止本领，还研究了在没有磁场的情况下在等离子体中移动的光束以进行比较，研究了光束速度和密度对尾流和阻止本领的影响。

总结

对于具有低束流密度（束流密度小于等离子体电子密度）的束流脉冲，由低速脉冲引起的尾流呈现倒V形结构，在光束轨迹的两侧都观察到强烈的哨声波。

由于来自这些哨声波的阻力，相应的制动力得到增强，随着光束速度的增加，哨声波消失，只观察到倒V形尾流，与各向同性等离子体相比，相应的阻止本领降低。

对于高密度（远大于等离子体电子密度）的光束脉冲，集体效应占主导地位，对于低密度脉冲，哨声波激励被抑制。

随着速度的增加，哨声波消失，只观察到倒V形尾流，磁场的存在增强了集体效应和电子俘获，从而降低了所有束流速度的阻止本领。

参考文献

高能密度物理学，柏林，德国：Springer-Verlag，2006 年

平行于引导磁场的高 Z 离子束的电子冷却，IEEE Trans，第18卷

具有可再生低温冷却离子源的脉冲离子束的性能，激光粒子束，第26卷

使用中性束加热产生高性能聚变等离子体，包括将氚束注入联合欧洲圆环 (JET)”，Phys，第 2468 页，1993 年

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