Numerical simulation of excitation of wakefield bubble of plasma electrons by short dense bunch of relativistic electrons

The numerical simulation by 2.5D code LCODE of properties and excitation of wakefield bubble of plasma electrons by short dense bunch of relativistic electrons has been performed in this paper. It has been shown that abrupt back front of bubble becomes less abrupt at decrease of bunch-driver length. Abrupt back front of bubble becomes more abrupt at increase of bunch-driver current. At bubble excitation by short electron bunch with not very large density bubble can be formed in the second wavelength and bubble is not formed in the first wavelength. At larger bunch density the bubble is not formed in the first wavelength on small time and it can be formed on large time. The bunch focusing by bubble becomes more homogeneous with growth of bunch current. Проведено 2.5D кодом LCODE численное моделирование свойств и возбуждения кильватерной полости электронов плазмы плотным коротким сгустком релятивистских электронов. Показано, что увеличение крутизны заднего фронта полости при достижении его опрокидывания уменьшается при уменьшении длины сгустка-драйвера. С увеличением тока сгустка увеличивается крутизна заднего фронта полости. При возбуждении полости коротким электронным сгустком с определенной малой плотностью полость может сформироваться на второй длине кильватерной волны, а на первой она не формируется. При большей плотности сгустка полость на малых временах на первой длине волны не формируется, а на больших временах она может сформироваться. С ростом тока сгустка улучшается однородность его фокусировки полостью. Проведено 2.5D кодом LCODE числове моделювання властивостей та збудження кільватерної порожнини електронів плазми щільним коротким згустком релятивістських електронів. Показано, що збільшення крутості заднього фронту порожнини при досягненні його перекидання зменшується при зменшенні довжини згустка-драйвера. Зі збільшенням струму згустку збільшується крутість заднього фронту порожнини. При збудженні порожнини коротким електронним згустком з обумовленою малою щільністю порожнина може сформуватися на другій довжині кільватерною хвилі, а на першій вона не формується. При більшій щільності згустку порожнина на малому часовому періоді на першій довжині хвилі не формується, а на великому часовому періоді вона може сформуватися. Зростання струму згустку покращує однорідність його фокусування порожниною

Large amplitude solitary hole in relativistic electron beam

The possibility to excite the coherent solitary wave structure like the electric potential hump of large amplitude in the accelerator electron beam has been considered. Its properties and dependencies of properties on amplitude have been investigated

Transformation ratio at wakefield acceleration in dielectric resonator

The expressions for the wakefield have been derived and it has been shown that the transformation ratio in the dielectric resonator is significantly higher than the transformation ratio in the case of waveguide at large number of injected trains of identical bunches.Получены выражения для кильватерного поля и показано, что коэффициент трансформации в диэлектрическом резонаторе значительно превышает его в случае волновода при значительном количестве инжектированных профилированных цугов одинаковых сгустков.Отримано вирази для кільватерного поля і показано, що коефіцієнт трансформації в діелектричному резонаторі значно перевищує його у випадку хвилеводу при значній кількості інжектованих профільованих цугів однакових згустків

Excitation and properties of solitary perturbation of large amplitudes in nonequilibrium plasmas with negative ions

The properties of electrostatic potential hollow of solitary kind are investigated theoretically. The potential hollow is excited in current-carrying plasma. The equation, describing the hollow of any amplitude, is derived

Cosmic ray source and solar energetic particles

The acceleration of particles to the high energy is one of the key issues of solar physics, cis-lunar irradiations, astrophysics, and astroparticle physics. With the development of space astronomy, people started to realize that plasma disturbances in solar flares, Earth’s magnetosphere, and interplanetary space can also produce a large population of non-thermal particles. Cosmic ray promotion i.e. selective energization of matter in the cosmos requires, as on earth, three distinct stages: ionization, injection and acceleration to high energy. Supernova remnants and stellar winds of massive stars grouped in associations appear to be excellent celestial accelerators or re-accelerators through the shock waves they induce in their superbubbles. The injection of ions seems devoted to stars, except the smaller ones. In cosmic several mechanisms lead charged particle acceleration. Electrons are accelerated in direction of Earth’s poles by long train of electric double layers of small amplitudes. Charged particles are accelerated by the pondermotive force of electromagnetic radiation. Also, in a nonequilibrium current plasma or a plasma with particle flows, a strong electric double layer can be formed, which accelerates charged particles to high energies. The reconnection of the magnetic field lines also leads to the acceleration of charged particles.Прискорення частинок до високої енергії є одним із ключових питань фізики Сонця, астрофізики та астрофізики частинок. З розвитком космічної астрономії люди почали усвідомлювати, що плазмові збурення сонячних спалахів, магнітосфери Землі та міжпланетного простору також можуть породжувати велику популяцію нетеплових частинок. Просування космічного випромінювання, тобто вибіркова активізація матерії в космосі, вимагає, як і на Землі, трьох різних етапів: іонізації, інжекції та прискорення до високої енергії. Залишки наднових і зоряні вітри масивних зірок, які згруповані в асоціації, виявляються чудовими небесними прискорювачами або повторними прискорювачами через ударні хвилі, які вони викликають у своїх супербульбашках. Інжекція іонів, здається, присвячена зіркам, за винятком малих. У космосі кілька механізмів призводять до прискорення заряджених частинок. Електрони прискорюються в напрямку полюсів Землі довгою серією подвійних електричних шарів малих амплітуд. Заряджені частинки прискорюються пондермоторною силою електромагнітного випромінювання. Крім того, у нерівноважній плазмі зі струмом або плазмі з потоками частинок може утворюватися сильний подвійний електричний шар, який прискорює заряджені частинки до високих енергій. Перез’єднання силових ліній магнітного поля також призводить до прискорення заряджених частинок

Transformation ratio at wakefield excitation in dielectric resonator by sequence of rectangular electron bunches with linear growth of charge

Transformation ratio has been derived in the case of the wakefield excitation in a dielectric resonator by sequence of rectangular in longitudinal direction (the same charge along the bunch) electron bunches, whose charge is profiled according to linear dependence. Long periodic sequence of electron bunches has been built to increase the number of accelerated electrons. In this sequence, the short trains of rectangular in longitudinal direction profiled bunches − drivers alternate by accelerated “high-current” bunches. This long sequence provides a large transformation ratio and the same for all bunches decelerating wakefield. The coupling of transformation ratio with reduction rate of field after witness and coupling of transformation ratio with witness charge and driver charge in this sequence have been derived.Получен коэффициент трансформации в случае возбуждения кильватерного поля в диэлектрическом резонаторе последовательностью прямоугольных в продольном направлении (одинаковый заряд вдоль сгустка) электронных сгустков, заряд которых профилирован по линейному закону. Для увеличения числа ускоренных электронов построена длинная периодическая последовательность электронных сгустков. В этой последовательности короткие цепочки прямоугольных в продольном направлении профилированных сгустковдрайверов чередуются с ускоряемыми “сильноточными” сгустками. Эта длинная последовательность обеспечивает большой коэффициент трансформации и одинаковое для всех сгустков тормозящее кильватерное поле. Определена связь коэффициента трансформации с коэффициентом уменьшения поля после витнеса и связь коэффициента трансформации с зарядом витнеса и зарядом драйвера в этой последовательности.Отримано коефіцієнт трансформації в разі збудження кільватерного поля в діелектричному резонаторі послідовністю прямокутних у поздовжньому напрямку (однаковий заряд уздовж згустка) електронних згустків, заряд яких профільований за лінійним законом. Для збільшення числа прискорених електронів побудована довга періодична послідовність електронних згустків. У цій нескінченній послідовності короткі ланцюжки прямокутних у поздовжньому напрямку профільованих згустків-драйверів чергуються з прискорюваними "сильнострумовими" згустками. Ця довга послідовність забезпечує великий коефіцієнт трансформації і однакове для усіх згустків кільватерне поле. Визначено зв'язок коефіцієнта трансформації з коефіцієнтом зменшення поля після вітнеса і зв'язок коефіцієнта трансформації із зарядом вітнеса і зарядом драйвера в цій послідовності

Identical decelerating wakefields for driver-bunches and identical accelerating wakefields for witness-bunches for their periodic sequence

Acceleration by the wakefield in the plasma can provide compact sources of relativistic electron beams of high brightness. Free electron lasers and particle colliders, using plasma wakefield accelerators, require high efficiency and beams with low energy spread. Achieving both conditions can be ensured by the formation of identical fields for all accelerating bunches and identical fields for all decelerating bunches by controlled selection of bunch currents and their spatial distribution for a given plasma wave. We demonstrate such optimal bunch currents and their spatial distribution in the linear regime in a plasma accelerator with wakefield excited by electron bunches injected from the RF accelerator with high quality.Прискорення кільватерним полем у плазмі може забезпечити компактні джерела релятивістських електронних пучків високої яскравості. Лазери на вільних електронах та колайдери частинок, де використовуються плазмові кільватерні прискорювачи, вимагають високої ефективності і пучків з низьким розкидом по енергії. Досягнення обох умов може бути забезпечене формуванням однакових полів для всіх згустків, що прискорюються, та однакових полів для всіх згустків, що гальмуються, шляхом контрольованого підбору для даної плазмової хвилі струмів згустків та їх просторового розподілу. Ми демонструємо такі оптимальні струми згустків та їх просторовий розподіл у лінійному режимі у плазмовому прискорювачі зі збудженням полів електронними згустками, які інжектуються з ВЧ-прискорювача при високій їх якості

To the phase dynamics of relativistic electron bunches at plasma wakefield excitation

Theoretical investigation of influence of radial component of plasma wakefield on phase dynamics of the bunches has been performed. The wakefield is excited in plasma by long sequence of the relativistic electron bunches. It has been shown that at certain conditions this radial wakefield leads to more quick shift of the bunches, in comparison with shift by longitudinal wakefield, from decelerating phases into accelerating phases. This shift leads to change of a sign of an energy exchange of electron with a wave and to plasma wakefield amplitude saturation.Проведено теоретичне дослiдження впливу радiальної компоненти поля кiльватерної хвилi на фазову динамiку згусткiв. Кiльватерна хвиля збуджується у плазмi довгою послiдовнiстю релятивiстських електронних згусткiв. Показано, що при визначених умовах ця радiальна компонента приводить до бiльш швидкого ссуву згусткiв, порiвняно з ссувом пiд дiєю повздовжньої компоненти, iз гальмуючих фаз в прискорюючi. Такий ссув призводить до змiни знаку енергообмiну згусткiв з хвилею i до насичення її амплiтуди.Проведено теоретическое исследование влияния радиальной компоненты поля кильватерной волны на фазовую динамику сгустков. Кильватерная волна возбуждается в плазме длинной последовательностью релятивистских электронных сгустков. Показано, что при определенных условиях эта радиальная компонента приводит к более быстрому смещению сгустков, чем под действием продольной компонен- ты, из тормозящих фаз в ускоряющие. Такое смещение приводит к смене знака энергообмена сгустков с волной и к насыщению ее амплитуды

Properties and excitation of solitary perturbations by electron beam in accelerator

The excitation of a solitary wave perturbation of electric potential hump type with a large amplitude of an electron beam at the accelerator has been considered. Its properties and dependencies of properties on the amplitude have been investigated. This perturbation propagates in the rest frame of the beam with a velocity, approximately equal to the thermal velocity of beam electrons. The perturbation forms hole and vortex in the electron phase space. The solitary perturbation is excited due to nonlocal interaction of the beam with a metallic wall of final conductivity. This hump of electric potential is the BGK perturbation

Negative ion crystal formation in nonequilibrium plasmas

The crystal formation of heavy negative ions is considered in following system. The plasma flow with positive ions and electrons propagates vertically up and extends in radial direction. The flow propagates relative to heavy negative ions, subjected to gravity. The flow excites the perturbations of large amplitudes. The properties and evolution of these excited perturbations are considered. The evolution equation is derived for the case of any amplitudes. It is shown that these perturbations of large amplitude lead to spatial ordering of heavy negative ions in nonequilibrium plasma