2D simulation of the transversely restricted modulated electron beam dynamics in the homogeneous plasma

Abstract

Dynamics of the transversely restricted modulated electron beam moving through the homogeneous plasma was studied via computer simulation using PIC method. 2D-simulation demonstrated the concurrence between non-resonant beam-plasma instability at the modulation frequency and resonant instability at the Langmuir frequency of background plasma. In comparison with 1D simulation new effects were obtained such as beam’s transversal filamentation and expansion as well as beam electrons’ longitudinal and transversal focusing. Transversal filamentation is hypothetically caused by instability of the oblique space charge waves in the beam that can be confirmed by theoretical calculations.

С помощью компьютерного моделирования методом крупных частиц исследуется динамика поперечно ограниченного модулированного электронного пучка, движущегося в однородной плазме. Двумерное моделирование показало, что в системе плазма-электронный пучок происходит конкуренция между нерезонансной плазменно-пучковой неустойчивостью на частоте модуляции и резонансной неустойчивостью на ленгмюровской частоте фоновой плазмы. В сравнении с одномерным моделированием были получены новые эффекты, среди которых расслоение (филаментация) и расширение пучка в поперечном направлении, а также поперечная и продольная фокусировки электронов пучка. Поперечная филаментация, вероятно, вызвана неустойчивостью косых волн пространственного заряда в пучке, что подтверждается теоретическими расчетами.

За допомогою комп’ютерного моделювання методом крупних частинок досліджується динаміка поперечно обмеженого модульованого електронного пучка, що рухається крізь однорідну плазму. Двовимірне моделювання показало, що в системі плазма-електронний пучок відбувається конкуренція між нерезонансною плазмово-пучковою нестійкістю на частоті модуляції та резонансною нестійкістю на ленгмюрівській частоті фонової плазми. В порівнянні з одновимірним моделюванням було отримано ряд нових ефектів, серед яких розшарування (філаментація) пучка та його розширення в поперечному напрямку, а також поперечне та повздовжнє фокусування електронів пучка. Поперечна філаментація, ймовірно, спричинена нестійкістю косих хвиль просторового заряду в пучку, що підтверджується теоретичними розрахунками.