Longitudinal diamagnetic effects in beam-plasma system embedded in an external magnetic field

Abstract

High-current electrons beams generated in an external magnetic field in vacuum behave as a diamagnetic and force a magnetic field out of its volumes in radial direction. Under the condition of conservation of a magnetic flux the magnetic field inside of the beam decreases and increases outside. In the beam-plasma systems embedded in a magnetic field (plasma filled diodes or a beam in a plasma channel) another state of the beam with the total magnetic field increased to the axis can be realized. Radial focusing of the beam is ensured by electrostatic field of an ion pivot and azimuthal self magnetic field. If the external magnetic field changes in longitudinal direction then the value of magnetic field from the region of beam injection is transferred along near axis region of the system. It looks like a “magnetic needle” and resembles “frozen field” effect but the physics is different. Different beam-plasma systems were considered by means of computer simulation. Computer simulation was performed using electromagnetic PIC code KARAT.

Сильноточные электронные пучки во внешнем магнитном поле ведут себя как диамагнетик, вытесняя магнитное поле из своего объема. При условии сохранения магнитного потока это сопровождается уменьшением результирующего магнитного поля внутри пучка и увеличением его снаружи. В пучково-плазменной системе в магнитном поле (плазменный диод или плазменный канал транспортировки) возможно другое равновесное состояние пучка, в котором результирующее магнитное поле растет ближе к оси системы. Радиальная фокусировка пучка обеспечивается электростатическим полем ионного остова и собственным азимутальным магнитным полем, в то время как продольное магнитное поле имеет дефокусирующий характер. Если внешнее магнитное поле меняется вдоль оси системы, то пучок захватывает и переносит вдоль оси поле из области инжекции. Этот эффект выглядит внешне как «магнитная игла» и напоминает эффект «вмороженности» поля, но отличается по физике. При численном моделировании с помощью электромагнитного кода КАРАТ рассмотрены различные пучково-плазменные системы.

Потужнострумові електронні пучки у зовнішньому магнітному полі поводяться як діамагнетик, витісняючи магнітне поле зі свого обсягу. За умови збереження магнітного потоку це супроводжується зменшенням результуючого магнітного поля усередині пучка і збільшенням його зовні. У пучково-плазмовій системі в магнітному полі (плазмовий діод або плазмовий канал транспортування) можливо інший рівноважний стан пучка, у якому результуюче магнітне поле росте ближче до вісі системи. Радіальне фокусування пучка забезпечується електростатичним полем іонного кістяка і власним азимутальним магнітним полем, у той час як подовжнє магнітне поле має дефокусуючий характер. Якщо зовнішнє магнітне поле міняється уздовж вісі системи, то пучок захоплює і переносить уздовж вісі поле з області інжекції. Цей ефект виглядає зовні як «магнітна голка» і нагадує ефект «вмерзлості» поля, але відрізняється по фізиці. При чисельному моделюванні за допомогою електромагнітного кода КАРАТ розглянуто різні пучково-плазмові системи.