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1、第16卷 第4期强激光与粒子束Vol.16,No.42004年4月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSApr.,2004文章编号:100124322(2004)0420509205X相对论磁化运动等离子体的介电张量112郝保良, 唐昌建, 宫玉彬(1.四川大学应用物理系,四川成都610065;2.电子科技大学物理电子学院,四川成都610054) 摘 要:定义了相对论磁化运动等离子体(MMP)的物理模型。利用微扰理论导出了系统的介电张量,研究发现,MMP具有完全不同于静态磁化等离子体介电张量的形式。对电磁波沿轴向传播的情况进行了数值模拟计算,结果表明,系统的共振频率随等
2、离子体密度的增加而非线性增加,在相同的条件下,右旋波的共振频率高于左旋波的共振频率。对于传播的右旋电磁波,增加纵向磁场,共振频率提高,而对于左旋电磁波,增加纵向磁场,共振频率降低。 关键词:荷流体; 介电张量; 磁化运动等离子体; 流体理论 中图分类号:TN128文献标识码:A 在微波电子学、核聚变以及等离子体辐射等领域中,束、等离子体、波三者之间的相互作用,是正在研究的[1～8]重要基础理论。一束相对论电子束(REB)沿轴向通过等离子体空间时,如果满足一定条件,则电子束的头[1]部将把等离子体电子全部或部分地被排斥出去,形成离子通道。要了解强电子束流能够高效地在离子通道中传输的机理,我
3、们必须首先研究这一特殊的离子2束系统的动态电磁学性质。 长期以来,人们一直采用静态磁化等离子体(等离子体电子无定向运动)的介电张量,去处理类似束2等离子体系统的电磁动力学问题,致使理论与实验存在较大的差距。本文中,我们考虑等离子体波效应、离子通道效应及相对论电子束初始速度的影响,将离子2束系统作为特殊的荷流体介质,研究其最基本的介电张量。以介质的介电张量这一宏观物理量来描述介质内的束、等离子体、波互作用的微观过程与系统的电磁学特性。1 磁化运动等离子体的物理模型 图1为磁化运动等离子体物理模型的结构图。一初始速度v=v0ez的相对论电子束沿轴向射入等离子体空间,在轴向上加有限磁场B0ez,
4、其中ez表示轴向2单位矢量。如果满足γ0npmnb>np(nb是电子束密度,np是等离子体密度,γ0为电子束的相对论因子),则电子束的头部将把等离子体中的电子排斥出去,留下一相对静态的离子群,称为离子通道(ion2channel),[2]其半径Rp=Rbnb/np,Rb为电子束半径,且离子Fig.1Modelofmagneticmotionalplasma通道内残留的电子很少。图1 磁化运动等离子体(MMP)的物理模型 电子束单独存在时,由于自身的荷电场与运动产生的磁场作用,束流电子感受到的电磁力为22enbxenbyFb,x=2ex,Fb,y=2ey(1)2ε0γ02ε0γ02式中:ε0和
5、e分别表示真空介电常数和电子电量绝对值;γ0=1/1-(v0/c0);ex、ey是x,y方向的单位矢量。当考虑离子通道效应时离子电荷对束流电子的力场为22enpxenpyFi,x=-ex,Fi,y=-ey(2)2ε02ε0如果系统满足
6、Fi,x
7、m
8、Fb,x
9、,
10、Fi,y
11、m
12、Fb,y
13、,则电子束在横向上形成摇摆的束流沿ez方向传播。假设5np/5tX收稿日期:2003207211;修订日期:2003211207基金项目:霍英东青年教师基金资助课题(81007)作者简介:郝保良(1980—),硕士研究生,研究方向为微波等离子体。联系作者:唐昌建(1954—),男,博士,副教授。©1995-20
14、05TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.510 强 激 光 与 粒 子 束 第16卷=0,¨np=0,由(1)和(2)式得到2γ0npmnb>np(3)由于轴向磁场,电子将在横向摇摆的基础上有回旋运动。上述离子2束系统被称为磁化运动等离子体(MMP)。2 磁化运动等离子体的介电张量 在MMP的物理模型中,忽略电子的热运动,等离子体空间中的主要力场有纵向磁场和正离子电荷场、等离子体波场及传播电磁波场,它们的共同作用,使介质成为各向异性。 从文献[3]中我们知道,传播电磁波与等
15、离子体波共同对电子在纵向上的作用力为Fz=fz+fi=χfz(4)[3]式中,fz和fi分别为传播电磁波及等离子体波对电子的纵向力,χ是等离子波对电子运动的影响因子。等离子体中电子荷流体所满足的动力学方程dp/dt=-
16、e
17、(E+p×B/γ0m)(5)与外加磁场B0ez相比,传播电磁波的磁场B1很小,可以忽略不计。由于电子束有初始速度v0ez,则dv/dt=j(ω-kzv0)v(6)理论推导中,假
