Using PIC-plasma model in the numerical simulation of a relativistic Cherenkov plasma maser
Relativistic Cherenkov plasma maser experiments in General Physics Institute are supported by the well-developed theory of the plasma-beam interaction. Direct numerical schemes for simulation specific experimental conditions are used alongside with common theoretical ideas. Numerical simulation in t...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Datum: | 2003 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | English |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2003
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110545 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Using PIC-plasma model in the numerical simulation of a relativistic Cherenkov plasma maser / I.L.Bogdankevich, A.A. Rukhadze, P.S. Strelkov, V.P. Tarakanov // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 1. — С. 102-104. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-110545 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Bogdankevich, I.L. Rukhadze, A.A. Strelkov, P.S. Tarakanov, V.P. 2017-01-04T19:02:00Z 2017-01-04T19:02:00Z 2003 Using PIC-plasma model in the numerical simulation of a relativistic Cherenkov plasma maser / I.L.Bogdankevich, A.A. Rukhadze, P.S. Strelkov, V.P. Tarakanov // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 1. — С. 102-104. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 52.40.-w https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110545 Relativistic Cherenkov plasma maser experiments in General Physics Institute are supported by the well-developed theory of the plasma-beam interaction. Direct numerical schemes for simulation specific experimental conditions are used alongside with common theoretical ideas. Numerical simulation in this work was done trough the using code KARAT with non-linear PIC-method (particle-in-cell) for plasma electrons as well as for beam electrons. Експерименти, що проводжуються у тривалий час в лабораторії ІЗФАН, підтримані розвинутою теорією плазмово-пучкової взаємодії. Наряду з загальними теоретичними розглядами для моделювання конкретних умов експерименту вживаються прямі чисельні схеми. Чисельне моделювання в даній роботі було здійснене за допомогою коду КАРАТ, тобто рівняння Максвела були розв’язані чисельно за допомогою явної кінцево-різницевої схеми. Щільність струму J в законі Ампера обчислюється для пучка методом великих часток (PIC - particle in cell- методом), а для плазми або також, або за допомогою розв’язання рівняння холодної одно рідинної МГД у лінійному наближенні. Эксперименты, проводимые в течении длительного времени в лаборатории ИОФАН, поддержаны хорошо развитой теорией плазменно-пучкового взаимодействия. Наряду с общими теоретическими рассмотрениями для моделирования конкретных условий эксперимента применяются прямые численные схемы. Численное моделирование в данной работе было выполнено посредством кода КАРАТ, т.е. уравнения Максвелла решались численно с помощью явной конечно-разностной схемы. Плотность тока J в законе Ампера вычисляется для пучка методом крупных частиц (PIC- particle in cell- методом), а для плазмы либо также, либо в линейной приближении путем решения уравнения холодной одножидкостной МГД. The research was partially supported by: • US Civilian Research&Development Foundation, award #RP1-2269; • Government of Russia, program of state support of unique scientific research and experimental installations in Russia, reg.# 01-04; • Russian Academy of Sciences, Complex program “Generation of powerful pulses of electric energy, corpuscular and electromagnetic radiation”, project “Plasma relativistic wide-band microwave oscillator with microsecond pulse duration”. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Plasma electronics Using PIC-plasma model in the numerical simulation of a relativistic Cherenkov plasma maser Використання методу великих часток в у описі плазми при чисельному моделюванні релятивистського плазмового СВЧ-генератора Использование метода крупных частиц в описании плазмы при численном моделировании релятивистского плазменного СВЧ-генератора Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Using PIC-plasma model in the numerical simulation of a relativistic Cherenkov plasma maser |
| spellingShingle |
Using PIC-plasma model in the numerical simulation of a relativistic Cherenkov plasma maser Bogdankevich, I.L. Rukhadze, A.A. Strelkov, P.S. Tarakanov, V.P. Plasma electronics |
| title_short |
Using PIC-plasma model in the numerical simulation of a relativistic Cherenkov plasma maser |
| title_full |
Using PIC-plasma model in the numerical simulation of a relativistic Cherenkov plasma maser |
| title_fullStr |
Using PIC-plasma model in the numerical simulation of a relativistic Cherenkov plasma maser |
| title_full_unstemmed |
Using PIC-plasma model in the numerical simulation of a relativistic Cherenkov plasma maser |
| title_sort |
using pic-plasma model in the numerical simulation of a relativistic cherenkov plasma maser |
| author |
Bogdankevich, I.L. Rukhadze, A.A. Strelkov, P.S. Tarakanov, V.P. |
| author_facet |
Bogdankevich, I.L. Rukhadze, A.A. Strelkov, P.S. Tarakanov, V.P. |
| topic |
Plasma electronics |
| topic_facet |
Plasma electronics |
| publishDate |
2003 |
| language |
English |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Використання методу великих часток в у описі плазми при чисельному моделюванні релятивистського плазмового СВЧ-генератора Использование метода крупных частиц в описании плазмы при численном моделировании релятивистского плазменного СВЧ-генератора |
| description |
Relativistic Cherenkov plasma maser experiments in General Physics Institute are supported by the well-developed theory of the plasma-beam interaction. Direct numerical schemes for simulation specific experimental conditions are used alongside with common theoretical ideas. Numerical simulation in this work was done trough the using code KARAT with non-linear PIC-method (particle-in-cell) for plasma electrons as well as for beam electrons.
Експерименти, що проводжуються у тривалий час в лабораторії ІЗФАН, підтримані розвинутою теорією плазмово-пучкової взаємодії. Наряду з загальними теоретичними розглядами для моделювання конкретних умов експерименту вживаються прямі чисельні схеми. Чисельне моделювання в даній роботі було здійснене за допомогою коду КАРАТ, тобто рівняння Максвела були розв’язані чисельно за допомогою явної кінцево-різницевої схеми. Щільність струму J в законі Ампера обчислюється для пучка методом великих часток (PIC - particle in cell- методом), а для плазми або також, або за допомогою розв’язання рівняння холодної одно рідинної МГД у лінійному наближенні.
Эксперименты, проводимые в течении длительного времени в лаборатории ИОФАН, поддержаны хорошо развитой теорией плазменно-пучкового взаимодействия. Наряду с общими теоретическими рассмотрениями для моделирования конкретных условий эксперимента применяются прямые численные схемы. Численное моделирование в данной работе было выполнено посредством кода КАРАТ, т.е. уравнения Максвелла решались численно с помощью явной конечно-разностной схемы. Плотность тока J в законе Ампера вычисляется для пучка методом крупных частиц (PIC- particle in cell- методом), а для плазмы либо также, либо в линейной приближении путем решения уравнения холодной одножидкостной МГД.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110545 |
| citation_txt |
Using PIC-plasma model in the numerical simulation of a relativistic Cherenkov plasma maser / I.L.Bogdankevich, A.A. Rukhadze, P.S. Strelkov, V.P. Tarakanov // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 1. — С. 102-104. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. |
| work_keys_str_mv |
AT bogdankevichil usingpicplasmamodelinthenumericalsimulationofarelativisticcherenkovplasmamaser AT rukhadzeaa usingpicplasmamodelinthenumericalsimulationofarelativisticcherenkovplasmamaser AT strelkovps usingpicplasmamodelinthenumericalsimulationofarelativisticcherenkovplasmamaser AT tarakanovvp usingpicplasmamodelinthenumericalsimulationofarelativisticcherenkovplasmamaser AT bogdankevichil vikoristannâmetoduvelikihčastokvuopisíplazmipričiselʹnomumodelûvannírelâtivistsʹkogoplazmovogosvčgeneratora AT rukhadzeaa vikoristannâmetoduvelikihčastokvuopisíplazmipričiselʹnomumodelûvannírelâtivistsʹkogoplazmovogosvčgeneratora AT strelkovps vikoristannâmetoduvelikihčastokvuopisíplazmipričiselʹnomumodelûvannírelâtivistsʹkogoplazmovogosvčgeneratora AT tarakanovvp vikoristannâmetoduvelikihčastokvuopisíplazmipričiselʹnomumodelûvannírelâtivistsʹkogoplazmovogosvčgeneratora AT bogdankevichil ispolʹzovaniemetodakrupnyhčasticvopisaniiplazmypričislennommodelirovaniirelâtivistskogoplazmennogosvčgeneratora AT rukhadzeaa ispolʹzovaniemetodakrupnyhčasticvopisaniiplazmypričislennommodelirovaniirelâtivistskogoplazmennogosvčgeneratora AT strelkovps ispolʹzovaniemetodakrupnyhčasticvopisaniiplazmypričislennommodelirovaniirelâtivistskogoplazmennogosvčgeneratora AT tarakanovvp ispolʹzovaniemetodakrupnyhčasticvopisaniiplazmypričislennommodelirovaniirelâtivistskogoplazmennogosvčgeneratora |
| first_indexed |
2025-11-25T21:20:31Z |
| last_indexed |
2025-11-25T21:20:31Z |
| _version_ |
1850556310804758528 |
| fulltext |
USING PIC-PLASMA MODEL IN THE NUMERICAL SIMULATION OF A
RELATIVISTIC CHERENKOV PLASMA MASER
I.L.Bogdankevich, A.A.Rukhadze, P.S.Strelkov, V.P.Tarakanov*
General Physics Institute, Moscow, Russia, bira@fpl.gpi.ru;
*High-energy density research investigation Center, Moscow, Russia
Relativistic Cherenkov plasma maser experiments in General Physics Institute are supported by the well-
developed theory of the plasma-beam interaction. Direct numerical schemes for simulation specific experimental
conditions are used alongside with common theoretical ideas. Numerical simulation in this work was done trough the
using code KARAT with non-linear PIC-method (particle-in-cell) for plasma electrons as well as for beam electrons.
PACS: 52.40.-w
This work is directly concerned with experiments,
which are carried out in Plasma Electronics Laboratory of
General Physics Institute (Moscow, Russia). The
operation of a relativistic Cherenkov plasma maser is
based on Cherenkov interaction of a relativistic electron
beam (REB) with plasma [1]. If the speed of electron
coincides with phase velocity of the wave, instability
arises with a frequency that depends on the Langmuir
plasma frequency. The system is azimuthally symmetrical
and an annular relativistic electron beam from a cathode
propagates through preformed annular plasma in a strong
magnetic field. The end of the central conductor metallic
coaxial waveguide limits the electron beam and the
plasma. Microwaves generate in the plasma waveguide,
propagate through the metallic coaxial waveguide and
emit into atmosphere through a dielectric window.
Presently we discuss a maser, which is tunable from
1.5 to 6 GHz. The comparatively low frequency allows
using an oscilloscope to obtain the time-dependence
radiated microwave electric field (then corresponding
spectrum). Microwave radiation from the horn excites a
wave in the antenna, and the oscilloscope registers the
signal.
Earlier we used numerical modeling with electrons
simulated as particles and the plasma considered as a
linear medium with invariable properties [2]. There are
several peculiarities of the maser operation. Both the
central frequency and the bandwidth depend on the
plasma density. Both these parameters change in time.
The broad spectrum is a set of narrow lines. On this point
experiments data closely agree with results of linear
simulation. But we can see some discrepancies between
the experiment and the linear simulation. On fig.1 is
presented the comparison: experiments data and
simulation result for the linear model. Here for minimum
plasma density (at np<5⋅1011cm-3 the MW-generation does
not exist) the spectrum is broad at first and narrows down.
In experiment it broads again, but in simulation it does
not. Besides, we have in experiment so-called
"microwave pulse shortening": termination of microwave
before the end of the REB current pulse. In linear
simulation the output power of MW-emission does not
decrease with time. Possible reason for the differences
may be that the linear model of plasma in simulations is
not adequate to strongly non-linear plasma in reality.
Among the all possible causes which leaded to
microwave pulse shortening, we take into account in this
work only one – how so named "temperature" of plasma
electrons affects on Cherenkov resonance mechanism. It
is suggested, that plasma electrons absorb energy of the
wave exiting by REB. For the simple qualitative analyze
let consider a dispersion equation for one-dimension
infinite plasma medium and beam [3]:
( )
0
2
311 23
2
2
33
2
2
22
2
2
22
2
=
−
−+
+−=
−
ku
e
vk
ivk bvk
Te
pTepl Te
ωγ
ωωωπ
ωω
ω
ε
ω
(1)
where ωp and ωb – Langmuir plasma and beam
frequencies, u – beam electron velocity,
( ) 2
1221 −−= cuγ – relativistic factor, mTv eTe = ,
vTe – thermal velocity, Te – temperature of plasma
electrons, ω, k – frequency and wavenumber of MW-
radiation. Under conditions of existing Cherenkov resonance
there is a known expression for the growth rate δ1 [4]:
1
3
1
1 3
2 2
pb
p
i n
n
ω
δ
γ
− +=
, (2)
nb, np – density of beam and plasma electrons.
102 Problems of Atomic Science and Technology. 2003. № 1. Series: Plasma Physics (9). P. 102-104
Fig.1. Experimental spectra (left) and results of the linear
simulation (right) for plasma density np=5.5⋅1011cm-3
mailto:bira@fpl.gpi.ru
If kvTe << ω we obtain from eq.(1), inequality for arising
of the nondissipative instability in the plasma-beam
system
2
2
2
3
33
1
82
3
Tev
u
Tep
b e
v
u
n
n −
> >
π
γ
. (3)
In the opposite limit there is a possibility to exist a
dissipative instability and the growth rate δ2 is
1
2
2 13 3 22
3 2
1
2
exp
2 4
b
p
p
Te Te
n
n u u
v v
δ ω
γ π
= −
(4)
The transformation efficiency of beam energy into energy
of wave field – η is equal [4]
ω
δγη
22= . (5)
Since δ1 >> δ2 η2 is less than η1
1
6
1
12 2
1 η
γ
ηη ≤
≈
p
b
n
n (6)
It is conceivable that two regimes of the MW-radiation
exist in Cherenkov plasma maser. The above-mentioned
expressions offer only as qualitative estimates to explain
the change of the instability mechanism. Numerical
model was simulated using 2,5-dimensional version of the
code KARAT, where the beam and plasma electrons were
simulated by the same PIC-method (particle-in-cell) [5].
On the fig.2 is presented a calculated time dependence
output power of MW radiation. At small value of plasma
density (np/nb =5) the MW-radiation power decreases with
103
Fig. 4. Distribution functions of plasma electrons with
energy in various points of time
Fig. 3. A time dependence output power of MW
radiation (np=1.5⋅1012cm-3)
Fig. 2.A time dependence output power of MW
radiation (np=5.5⋅1011cm-3).
0
10
20
30
40
50
0 100 200 300 400T, keV
Q, a.u. 50ns 130ns 330ns
np=1.5*10
12
0
10
20
30
40
50
0 100 200 300 400T, keV
Q, a.u. 50ns 90ns 250ns
np=5.5*10
11
time. The average power at first zone is 50 MW and then
10 MW.
At comparatively high density (fig.3.) there is not a
greatly difference between values of MW-power in
according time intervals. Average values of power in this
case are 90 MW and 50 MW.
On fig.4 are presented distribution functions of plasma
electrons with energy in various points of time. At the low
plasma density the distribution becomes broad and far from
the Maxwell type. The substantial proportion of high energy
(till 150 keV) particles appearances in the plasma media. We
can connect the MW-radiation power decreasing (fig.2) with
the transformation from nondissipative to dissipative
instability. On the contrary, at the comparatively high plasma
density the distribution holds narrow form and almost
Maxwell one.
Now compare spectra in experiment and results of the
non-linear simulation for two values of plasma density. The
narrow line in simulation spectrum (np=5.5⋅1011 cm-3) is
observed in the same interval of time as we see in
experiment (fig.5). The MW-radiation power decreasing is
attended by the spectrum broadening. With maximum
plasma density and the central frequency more than 3 GHz a
narrow line does not appear clearly in simulation (fig.6). But
there is a qualitative agreement between experiment data and
simulation results in the temporal evolution of the MW-
spectra.
CONCLUSIONS
Results of the non-linear simulation at difference plasma
density have a qualitative agreement with the experiment
data better than in the case of linear plasma model. At low
plasma density we have also an agreement with analytic
view (the connecting between the “heating” plasma
electrons and the MW-radiation power decreasing). The
situation with another plasma densities is more
complicated and demands a detailed analysis.
ACKNOWLEDGMENTS
The research was partially supported by
• US Civilian Research&Development Foundation,
award #RP1-2269;
• Government of Russia, program of state support of
unique scientific research and experimental
installations in Russia, reg.# 01-04;
• Russian Academy of Sciences, Complex program
“Generation of powerful pulses of electric energy,
corpuscular and electromagnetic radiation”, project
“Plasma relativistic wide-band microwave oscillator
with microsecond pulse duration”.
REFERENCES
1. M.V.Kuzelev, O.T.Loza, A.A.Rukhadze,
P.S.Strelkov, A.G.Shkvarutets // Plasma Phys.,
2001, vol.27, No8, p.669-691.
2. I.L.Bogdankevich, I.E.Ivanov, O.T.Loza,
A.A.Rukhadze, P.S.Strelkov, V.P.Tarakanov,
D.K.Ulyanov // Plasma Phys., 2002 vol.28, No8.
3. A.F.Aleksandrov, L.S.Bogdankevich,
A.A.Rukhadze Osnowy elektodinamiki plasmy,
M:“Vyschaja chcola”, 1988.
4. M.V.Kuzelev, A.A.Rukhadze Electrodynamics of
dense electron beams in plasma, M:“Nauka”, 1990.
5. V.P.Tarakanov User’s Manual for Code KARAT,
Springfield, VA: Berkley Research Associates,
Inc.1992.
ВИКОРИСТАННЯ МЕТОДУ ВЕЛИКИХ ЧАСТОК В У ОПИСІ ПЛАЗМИ ПРИ ЧИСЕЛЬНОМУ
МОДЕЛЮВАННІ РЕЛЯТИВИСТСЬКОГО ПЛАЗМОВОГО СВЧ-ГЕНЕРАТОРА
І.Л. Богданкевич, А.А. Рухадзе, П.С. Стрєлков, В.П. Тараканов
Експерименти, що проводжуються у тривалий час в лабораторії ІЗФАН, підтримані розвинутою теорією плазмово-
пучкової взаємодії. Наряду з загальними теоретичними розглядами для моделювання конкретних умов експерименту
104
Fig. 6. Experimental spectra (left) and results of the non-
linear simulation (right) np=1.5⋅1012 cm-3
вживаються прямі чисельні схеми. Чисельне моделювання в даній роботі було здійснене за допомогою коду КАРАТ,
тобто рівняння Максвела були розв’язані чисельно за допомогою явної кінцево-різницевої схеми. Щільність струму J в
законі Ампера обчислюється для пучка методом великих часток (PIC - particle in cell- методом), а для плазми або також,
або за допомогою розв’язання рівняння холодної одно рідинної МГД у лінійному наближенні.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА КРУПНЫХ ЧАСТИЦ В ОПИСАНИИ ПЛАЗМЫ ПРИ ЧИСЛЕННОМ
МОДЕЛИРОВАНИИ РЕЛЯТИВИСТСКОГО ПЛАЗМЕННОГО СВЧ-ГЕНЕРАТОРА
И.Л. Богданкевич, А.А. Рухадзе, П.С. Стрелков, В.П. Тараканов
Эксперименты, проводимые в течении длительного времени в лаборатории ИОФАН, поддержаны хорошо развитой
теорией плазменно-пучкового взаимодействия. Наряду с общими теоретическими рассмотрениями для моделирования
конкретных условий эксперимента применяются прямые численные схемы. Численное моделирование в данной работе
было выполнено посредством кода КАРАТ, т.е. уравнения Максвелла решались численно с помощью явной конечно-
разностной схемы. Плотность тока J в законе Ампера вычисляется для пучка методом крупных частиц (PIC- particle in
cell- методом), а для плазмы либо также, либо в линейной приближении путем решения уравнения холодной
одножидкостной МГД.
105
Conclusions
Acknowledgments
І.Л. Богданкевич, А.А. Рухадзе, П.С. Стрєлков, В.П. Тараканов
И.Л. Богданкевич, А.А. Рухадзе, П.С. Стрелков, В.П. Тараканов
|