等离子体特性

大幅值振幅的激发在绝热等离子体中产生电子振荡

摘要

当使用简单模型来研究电子等离子体被有限物体如激光或带电粒子脉冲激发或改变时，模型的触发机制不会受到相互作用的影响。因此电子等离子体的大振幅波曲线上会同时出现平滑和高耸波峰段。特别是当两个带电脉冲同向运动时，会产生高地局部的电子等离子体波，而不是期望中的长波。一组数据可以充分说明电子的有效捕获和加速到高能级。

简介

最近，粒子浓度不同或粒子浓度高于背景等离子体浓度的超大幅值电子等离子体波引起了人们极大的关注。因为，在稀薄等离子体中，EPW 很容易被超短超强激光或电子束激发。这样的EPW 能够将参与的电子加速到高能级。EPW 在等离子体中无处不在，并且在等离子体物理研究发展之初就已被广泛研究。它们是现在已知波中最简单的一种，尤其是在具有非线性，繁多数字特性等特征的等离子体波中更是如此。研究者经常使用数字模拟技术来研究高线性及强激光或带电粒子束与等离子体间复杂的作用，并用后验分析模型来验证数字结果。另外，也有一小部分非微扰分析研究是关注于低温或高温等离子体中的大振幅波。研究显示无论是平滑曲线段或是高耸波峰段都会存在。它们的相位区域与极高的静电电荷分布场有关，该电场能将带电粒子加速超高能级。强激光振荡常被当做稳健等离子体（而不是常用的金属）格栅用在丘普脉冲放大强激光脉冲中。

对于处在准稳态中的等离子体，完全非线性热流体方程描述了波动经常可用来求积分，并且在一定程度上表示了在潜在场中能量积分接近于典型粒子的积分。因为存在非线性流体对流压缩和消耗几乎为零，因此，赝势可以无限深。在最终结果中无论高耸波峰段或尖锐稳定段或单波段都会组成浓度下陷或空洞处。

在本片文章中，我们分析研究了有限带电物体穿过绝热等离子体激发EPW 的特性，这个带电物体可以是一个激光束，一个电子或离子束，一个检验带电物体，一个带电探头，一个人造卫星，一个粉尘颗粒等。在比较了诸多早期文献之后发现关于非线性EPW 的研究是非微扰的。它们恰好解决了绝热电子流体方程问题，因此，超大振幅波的异常浓度远大于背景浓度是被允许的。这也证明了两个带电物体同向运动会产生期望中的长波或者是无长波的单峰和多峰单个EPW 波。我们的方法可被当做简易模型来研究USUI 激光和带电粒子束加速粒子的情况。

公式

在绝热环境下，理想电子气体保护方程是：

,)(,1,

0)(0

0γφn n p p p nm m e v v v nv n x x x t x t =∂-∂=

∂+∂=∂+∂ 其中，n,m,-e,v,γ和000T n p =分别是电子气体的电子浓度，质量，电荷数，速度，绝热常亮和反应压力，并且0n 是均衡不变的离子浓度。在缺少带电物体的情况下，泊松分布方程为：),(402

n n e x --=∂πφ

将静电势与电子浓度联系起来。

我们认为带电束有固定的高斯分布。相应地，单束情况也应满足泊松方程。在归一化之前可以写为：

)]/exp([42220

02a x cn n n e x λπφ----=∂， 其中c 和a 分别是粒子束的电子数和归一化后的宽度。对于两个带电粒子束同向运动的情况，第二个粒子束]/)(exp[2220a b x cn λ--被加在了方程右边的方括号里。这里b 代表两个粒子束之间的距离。

我们对处在稳态情况下，以一恒定速度传播的相应波的结构加以分析。其连续性和动量方程可以表示为：

D n v M

nv +--=-=-121

21γγγφ 其中φe n v x ,,都已被德拜长度2120)4/(_e n T πλ=归一化。热速度21)/(m T v T =，T 为任一温度,t v V M /=,将等温情况1=v 排除在外，当他牵涉到不同的非线性情况。因为方程（1）对（4）来说是均匀的。我们已经确定在1=n 时用条件0,=-=φV v 去评价积分常量。特别的，在这一过程中没有必要去指定。实际的积分常量值12/2-+-=γγ

M D 在这里根本

不重要，因为势场φ是可以被泊松方程的左边部分取代。另外初始边界条件也经常被使用。 大振幅EPWS

为了能看到真实变化，首先应考虑不存在带点物体的情况下强EPW 的特性。将方程（6）和（7）替换为泊松方程（4），然后再用代数直接求其积分。

)()(212n V d dn -=ξ

其中Mt x -=ξ且212212224)

()121()(+++---+--=γγγγγγn M n n Cn n M M n n V 其中C 是积分常量由n d ξ在给定n 确定。其他条件也可以被用来获得不同的途径。积分方程（8）可以直接求积分获得)(n ξ形成的方法。然而，反演通常很难，并且比较方便地对方程（4）和与之相关的（6）（7）进行数字积分，在证明途径存在和类型的过程中，要用到势场)(n V 。

图（1）（a ）（b ）表示了伪势场)(n V 在M=1.2,γ=1.01的情况，（c ）（d ）表示的是1.1=γ的

情况（e ）（f ）表示的是45.1=γ的情况（g ）（h ）表示的是5.1=γ的情况（i ）（j ）表示的是0.3=γ的情况。为了确保精确，我们假设1=n 时n d ξ=0.我们看到当γ较小时，如在图1（a ）中，伪势场只包含了平滑段或波谷段。因此出现精确度高的非线性等离子体波，且该波是孤立波。当γ增加时，伪势场仍然不变，直到45.1=γ时才发生变化。图1（g ）（i ）中伪势场的陷阱为无限深或表现差异，当粒子浓度cr n n =时。从方程（9）我们可以由112)(

-=γγM n cr 得到后者。这也揭示了为什么异常情况不会出现在1=γ时，此处不进行详解。