Численное моделирование взаимодействия короткого ионного пучка с плазмой

В работе рассматривается задача о прохождении короткого ионного пучка через слой плазмы. В таком процессе происходит захват пучком электронов плазмы и компенсация его заряда. Компенсация заряда при транспортировке заряженных пучков необходима для предотвращения их расплывания под действием собственного кулоновского поля. Важность изучения методов компенсации заряда ионных пучков высоких энергий обусловлена их многочисленными приложениями. В частности, в последние годы ведутся активные исследования по взаимодействию интенсивных ионных пучков с термоядерными мишенями с целью получения управляемого синтеза. Для описания взаимодействия пучка с плазмой в работе использовано одномерное электростатическое приближение и приведены условия его применимости. Рассмотрено движение электрона в поле ионного пучка с модельным распределением плотности. Посредством численного моделирования по методу частиц в ячейке показано, что при прохождении короткого ионного пучка через слой плазмы происходит захват части электронов плазмы полем сгустка. Однако, в отличие от гидродинамического описания, использованного другими авторами, этот процесс имеет существенно кинетическую природу, причём коллективное электрическое поле сравнимо по величине с полем пучка. Под действием суммарного поля возникают пучки ускоренных электронов, приводящие к нелинейному режиму пучковой неустойчивости и сильному нагреву электронной компоненты плазмы. Показано, что на захват электронов полем сгустка сильное влияние оказывает переменное поле, вызванное плазменными колебаниями на границах слоя. Проведено численное моделирование процесса прохождения пучка через слой плазмы на интервалах времени, сравнимых с ионным плазменным периодом. Метод частиц в ячейке применён в этом случае для расчёта движения ионов. Предполагалось, что электроны имеют больцмановское распределение плотности в самосогласованном поле. Краевая задача для уравнения Пуассона, которое в такой постановке становится нелинейным, решалась численно методом стрельбы. При электронной температуре, значительно превышающей ионную, продемонстрировано образование стационарных структур типа ионных фазовых дыр.

Numerical Simulation of a Short Ion Beam Interaction with Plasma

The problem of a short ion beam passing through the plasma layer is considered in this paper. In such a process the plasma electrons capture by the beam takes place. The charge compensation is necessary during the charged beams transport with the purpose to prevent their dispersion under the influence of the own Coulomb field. It is important to investigate the methods of the beam charge compensation methods for the reason of their numerous applications. Specifically the active investigations of the intensive ion beams interactions with the thermonuclear targets in the controlled fusion problem are performed last years. In this paper the one-dimensional electrostatic approximation is used and the conditions of its applicability are presented. The electron movement in the ion beam field with the model density distribution is considered. It is shown by the numerical simulation using the particle-in-cell method that during the short ion beam passing through the plasma layer the capture of the part of plasma electrons by the beam field takes place. But unlike the hydrodynamical description used by other authors this process has the essentially kinetic nature moreover the collective electric field is compared with the beam field. The beams of accelerated electrons are formed under the influence of the total field leading to the nonlinear regime of the beam instability and strong heating of the plasma electrons. It is shown that the oscillating field caused by the plasma oscillations on the plasma boundaries affects essentially on the electron capture. The numerical simulation of the beam passing through the plasma layer on the time intervals compared with ion plasma period is carried out. The particle-in-cell method is applied in this case for the ion movement calculation. It was supposed that the electrons have the Boltzmann density distribution in the self-consisted field. The boundary problem for the Poisson equation which becomes nonlinear in such a statement was solved numerically by the shooting method. It was demonstrated the formation of the stationary structures of the ion phase space holes type for the electron temperature much larger the ion one.