Wakefield excitation in nonlinear plasma by sequence of relativistic electron bunches
The plasma wakefield excitation by long sequence of relativistic electron bunches is considered. It has been shown that taking into account ionization of the residual gas partially compensates resonance nonlinear detuning and the wakefield amplitude increases in comparison with the case of constant...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2014 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81207 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Wakefield excitation in nonlinear plasma by sequence of relativistic electron bunches / V.I. Maslov, I.N. Onishchenko, I.P. Yarovaya // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 6. — С. 101-103. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860253177971998720 |
|---|---|
| author | Maslov, V.I. Onishchenko, I.N. Yarovaya, I.P. |
| author_facet | Maslov, V.I. Onishchenko, I.N. Yarovaya, I.P. |
| citation_txt | Wakefield excitation in nonlinear plasma by sequence of relativistic electron bunches / V.I. Maslov, I.N. Onishchenko, I.P. Yarovaya // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 6. — С. 101-103. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | The plasma wakefield excitation by long sequence of relativistic electron bunches is considered. It has been shown that taking into account ionization of the residual gas partially compensates resonance nonlinear detuning and the wakefield amplitude increases in comparison with the case of constant plasma density. Certain small excess of the plasma density on the resonant value also leads to focusing of more part of bunches, to extend the existence of the resonance and, as a result, to increase of the amplitude of the excited wakefield.
Рассматривается возбуждение кильватерного поля в плазме длинной последовательностью релятивистских электронных сгустков. Показано, что учет ионизации остаточного газа частично компенсирует нелинейную расстройку резонанса, и амплитуда кильватерного поля увеличивается по сравнению со случаем постоянной плотности плазмы. Определенное малое превышение плотности плазмы над резонансным значением также приводит к фокусировке большей доли сгустков, к продлению существования резонанса и, как результат, к увеличению амплитуды возбуждаемого кильватерного поля.
Розглядається збудження кільватерного поля в плазмі довгою послідовністю релятивістських електронних згустків. Показано, що врахування іонізації залишкового газу частково компенсує нелінійну розстройку резонансу, і амплітуда кільватерного поля збільшується порівняно з випадком постійної густини плазми. Певне мале перевищення густини плазми над резонансним значенням також призводить до фокусування більшої частини згустків, до продовження існування резонансу і, як результат, до збільшення амплітуди збуджуваного кільватерного поля.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:45:34Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №6(94)
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2014, №6. Series: Plasma Physics (20), p. 101-103. 101
WAKEFIELD EXCITATION IN NONLINEAR PLASMA BY SEQUENCE OF
RELATIVISTIC ELECTRON BUNCHES
V.I. Maslov, I.N. Onishchenko, I.P. Yarovaya
NSC “Kharkov Institute of Physics and Technology”, Kharkov, Ukraine
E-mail: vmaslov@kipt.kharkov.ua
The plasma wakefield excitation by long sequence of relativistic electron bunches is considered. It has been shown
that taking into account ionization of the residual gas partially compensates resonance nonlinear detuning and the
wakefield amplitude increases in comparison with the case of constant plasma density. Certain small excess of the
plasma density on the resonant value also leads to focusing of more part of bunches, to extend the existence of the
resonance and, as a result, to increase of the amplitude of the excited wakefield.
PACS: 29.17.+w; 41.75.Lx;
INTRODUCTION
For intense plasma wakefield excitation in experiment
[1] and in numerical simulation [2] a long resonance
sequence of low-density electron bunches has been used.
However, it appears that there is a limiting wakefield
amplitude. It is determined by the fact that with wakefield
amplitude increase the nonlinear shift of frequency of
wake wave appears. Due to this the resonant interaction of
bunches with wakefield is destroyed. This resonance
destroying is delayed in time, if, as was done in [3],
initially selected a small excess of the plasma density over
the resonant value. In this paper the plasma wakefield
excitation by long sequence of electron bunches is
considered. Taking into account ionization of the residual
gas and the fact that the intensity of ionization is
proportional to the amplitude of the exciting wakefield,
the plasma density increases with time. With plasma
density increase the electron plasma frequency increases.
Because with wakefield amplitude increase the negative
nonlinear correction to the frequency of the wake wave
increases, the ionization partially compensates resonance
nonlinear detuning. In other words, the ionization leads to
the resonance adjustment as in the development of the
beam-plasma discharge [4]. Using code lcode [5], the
numerical simulation of the wakefield amplitude growth
has been performed at slow temporal grow of the plasma
density. The second case of the wakefield excitation,
when initially the plasma density n0e is larger than
resonant one n0e>nrez(= m
2
me/4 e
2
) ( m is the repetition
frequency of bunches) and plasma density grows slowly in
time, has been also numerically simulated. It has been
shown that the wakefield amplitude increases in
comparison with the case of constant plasma density,
neglecting the energy loss on ionization.
RESULTS OF SIMULATION
For beginning we consider dynamics of first 32
bunches in the plasma. We use the cylindrical coordinate
system (r, z) and plot plasma and beam densities at some z
as functions of the dimensionless time τ=ωpt/2 (ωp is the
plasma electron frequency). We do not taking into account
longitudinal dynamics of bunches, because at considered
times and beam energies, radial relative shifts of beam
particles prevail. From Figs. 1, 2 we see that in the
resonant case at the middle of the plasma, the bunches are
already focused by the wakefield, and the focusing is non-
uniform. Namely, the first fronts of the bunches are
defocused and their back fronts are focused. Then the
mean field E0= Eznbdr/ nbdr (which is proportional to
coupling factor of bunches with wakefield) on the first
front of the bunch is less, and on the back front is more
(Fig. 3).
In the case, when initially the plasma density is larger
than resonant one n0e>nrez, one can see in Fig. 4 that
bunches are shifted in the focusing phases. In this case, at
a certain excess of n0e over nrez bunches are focused
entirely. This should lead to an increase of the excitation
intensity of the wakefield. Also, the ratio n0e>nrez should
lead to a prolongation of the time of the resonant
interaction of bunches with wakefield.
Fig. 1. Temporal evolution of the beam density in the middle of the plasma (at z=50 cm from the injection point) at
wakefield excitation by resonant sequence of electron bunches
102 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №6(94)
Fig. 2. Temporal evolution of the beam radius (blue) in the middle of the plasma (at z=50 cm from the injection
point) at wakefield excitation by resonant sequence of electron bunches
Fig. 3. Temporal evolution of coupling factor (black) of the beam with wakefield in the middle of the plasma at
wakefield excitation by resonant sequence of electron bunches
Fig. 4. Temporal evolution of the beam density in the middle of the plasma (at z=50 cm from the injection point)
with ne>nrez at wakefield excitation by sequence of electron bunches
Now we consider the results of these two factors of
increase of the maximum excited wakefield on the
example of sequence of 500 resonant bunches.
Because bunches near injection boundary are not yet
focused and at the end of plasma are over-focused the
wakefield amplitude is larger into the plasma. From
Figs. 5 and 6 one can see that each of the approximately
100 first resonant bunches lose only part of its energy and
wakefield increases approximately linearly with time.
Further about 300 bunches lose almost all their energy,
and the wakefield amplitude continues to grow, but more
slowly. The maximal wakefield amplitude in the case of
resonant sequence is equal to Ez=0.14059 in the middle of
the plasma. Ez is normalised on meωpc/e. Then, due to the
appearance of negative nonlinear correction to frequency
of wake wave, bunches ahead of it, so that about half of
the electrons lose energy, and half of their takes energy.
Fig. 5. Longitudinal momenta of 500 bunches
Fig. 6. Temporal evolution of the mean field <Ez> in the
middle of the plasma (at z=50 cm from the injection
point) at wakefield excitation by sequence of 500 resonant
electron bunches
Fig. 7. Temporal evolution of radius of the bunches into
the plasma at wakefield excitation by sequence of 500
nonresonant electron bunches ( m< p)
Fig. 8. Temporal evolution of the mean field <Ez> into
the plasma at wakefield excitation by sequence of 500
nonresonant electron bunches ( m< p) with slow
temporal growth of plasma density
In the case of initial non-resonant sequence ( m< p) at
the beginning the electron bunches are defocused, as in
the case of resonance. Then, as a result of the shift of the
bunches with respect to the wave due to the initial
mismatch ne>nrez the bunches fall more into the focusing
phases (Fig. 7), that leads to increase the intensity of the
wakefield excitation. The condition m< p also leads to
the prolongation of the existence of resonance. Then with
time, under certain small ne-nrez<<nrez nonlinear frequency
shift NL begins to prevail. This leads to a shift of
bunches relative to wave into the small Ez and large Fr. As
a result, bunches strongly expand (see Fig. 7). The
maximal wakefield amplitude in the case of nonresonant
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №6(94) 103
sequence ( m< p) equals Ez=0.18318 and is more than in
resonant case.
From Fig. 8 one can see, that in the case of
nonresonant sequence ( m< p) with slow temporal growth
of plasma density the resonance is braked and some of the
electron bunches fall into accelerating fields (see. Fig. 8)
on more bunches in comparison with initially resonance
case. In the case of nonresonant sequence ( m< p) with
slow temporal growth of plasma density more than 500
bunches lose energy (Fig. 9), while in initially resonance
case they are about 400. The maximal wakefield
amplitude in the case of nonresonant sequence ( m< p)
with slow temporal growth of plasma density is equal to
Ez=0.19046 in the first half of the plasma (z=12.5. The
plasma length is equal to L=60. z is normalised on c/ωp).
I.e. the wakefield amplitude is larger and longitudinal
point of maximal amplitude achieving is closer to the
boundary of the injection, because in the nonresonant case
Ez is more and focusing force Fr is more. Thus, more
longer time of bunches location in focusing phases and
more longer support of resonance lead to larger wakefield
amplitude.
Fig. 9. Longitudinal momenta of 500 bunches
CONCLUSIONS
It is shown that more long sequence of relativistic
electron bunches contributes to wakefield growth in some
nonresonant case and in some nonresonant case with slow
temporal growth of plasma density in comparison with
initially resonant sequence.
REFERENCES
1. А.К. Berezin, Ya.B. Fainberg, V.A. Kiselev, et al.
Wakefield excitation in plasma by relativistic electron
beam, consisting regular train of short bunches // Fizika
Plasmy. 1994, v. 20, № 7,8, p. 663-670 (in Russian).
2. K.V. Lotov, V.I. Maslov, I.N. Onishchenko, E. Svistun.
Simulation of plasma wakefield excitation by relativistic
electron bunch // Problems of Atomic Science and
Technology. Series “Plasma Physics”(14), 2008, № 6,
p. 114-116.
3. K.V. Lotov, V.I. Maslov, I.N.Onishchenko, E. Svistun.
2.5D simulation of plasma wakefield excitation by a
nonresonant chain of relativistic electron bunches //
Problems of Atomic Science and Technology. 2010, № 2,
p. 122-124.
4. V.A. Kiselev, A.F. Linnik, I.N. Onishchenko,
V.P. Pristupa. Wakefield Excitation by Sequence of
Relativistic Electron Bunches in Plasma, Formed at their
Propagation through Neutral Gas of Different Pressure //
Problems of Atomic Science and Technology. Ser.
“Plasma Electronics and New Methods of Acceleration”
(7), 2010, № 4, p. 75-77.
5. K.V. Lotov. Simulation of Ultrarelativistic Beam
Dynamics in Plasma Wakefield Accelerator // Phys.
Plasmas. 1998, v. 5, № 3, p. 785-791.
Article received 25.09.2014
ВОЗБУЖДЕНИЕ КИЛЬВАТЕРНОГО ПОЛЯ В НЕЛИНЕЙНОЙ ПЛАЗМЕ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬЮ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ СГУСТКОВ
В.И. Маслов, И.Н. Онищенко, И.П. Яровая
Рассматривается возбуждение кильватерного поля в плазме длинной последовательностью
релятивистских электронных сгустков. Показано, что учет ионизации остаточного газа частично
компенсирует нелинейную расстройку резонанса, и амплитуда кильватерного поля увеличивается по
сравнению со случаем постоянной плотности плазмы. Определенное малое превышение плотности плазмы
над резонансным значением также приводит к фокусировке большей доли сгустков, к продлению
существования резонанса и, как результат, к увеличению амплитуды возбуждаемого кильватерного поля.
ЗБУДЖЕННЯ КІЛЬВАТЕРНОГО ПОЛЯ В НЕЛІНІЙНІЙ ПЛАЗМІ ПОСЛІДОВНІСТЮ
РЕЛЯТИВІСТСЬКИХ ЕЛЕКТРОННИХ ЗГУСТКІВ
В.І. Маслов, І.М. Онiщенко, І.П. Ярова
Розглядається збудження кільватерного поля в плазмі довгою послідовністю релятивістських електронних
згустків. Показано, що врахування іонізації залишкового газу частково компенсує нелінійну розстройку
резонансу, і амплітуда кільватерного поля збільшується порівняно з випадком постійної густини плазми.
Певне мале перевищення густини плазми над резонансним значенням також призводить до фокусування
більшої частини згустків, до продовження існування резонансу і, як результат, до збільшення амплітуди
збуджуваного кільватерного поля.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81207 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T18:45:34Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Maslov, V.I. Onishchenko, I.N. Yarovaya, I.P. 2015-05-13T16:01:59Z 2015-05-13T16:01:59Z 2014 Wakefield excitation in nonlinear plasma by sequence of relativistic electron bunches / V.I. Maslov, I.N. Onishchenko, I.P. Yarovaya // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 6. — С. 101-103. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 29.17.+w; 41.75.Lx; https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81207 The plasma wakefield excitation by long sequence of relativistic electron bunches is considered. It has been shown that taking into account ionization of the residual gas partially compensates resonance nonlinear detuning and the wakefield amplitude increases in comparison with the case of constant plasma density. Certain small excess of the plasma density on the resonant value also leads to focusing of more part of bunches, to extend the existence of the resonance and, as a result, to increase of the amplitude of the excited wakefield. Рассматривается возбуждение кильватерного поля в плазме длинной последовательностью релятивистских электронных сгустков. Показано, что учет ионизации остаточного газа частично компенсирует нелинейную расстройку резонанса, и амплитуда кильватерного поля увеличивается по сравнению со случаем постоянной плотности плазмы. Определенное малое превышение плотности плазмы над резонансным значением также приводит к фокусировке большей доли сгустков, к продлению существования резонанса и, как результат, к увеличению амплитуды возбуждаемого кильватерного поля. Розглядається збудження кільватерного поля в плазмі довгою послідовністю релятивістських електронних згустків. Показано, що врахування іонізації залишкового газу частково компенсує нелінійну розстройку резонансу, і амплітуда кільватерного поля збільшується порівняно з випадком постійної густини плазми. Певне мале перевищення густини плазми над резонансним значенням також призводить до фокусування більшої частини згустків, до продовження існування резонансу і, як результат, до збільшення амплітуди збуджуваного кільватерного поля. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Плазменная электроника Wakefield excitation in nonlinear plasma by sequence of relativistic electron bunches Возбуждение кильватерного поля в нелинейной плазме последовательностью релятивистских электронных сгустков Збудження кільватерного поля в нелінійній плазмі послідовністю релятивістських електронних згустків Article published earlier |
| spellingShingle | Wakefield excitation in nonlinear plasma by sequence of relativistic electron bunches Maslov, V.I. Onishchenko, I.N. Yarovaya, I.P. Плазменная электроника |
| title | Wakefield excitation in nonlinear plasma by sequence of relativistic electron bunches |
| title_alt | Возбуждение кильватерного поля в нелинейной плазме последовательностью релятивистских электронных сгустков Збудження кільватерного поля в нелінійній плазмі послідовністю релятивістських електронних згустків |
| title_full | Wakefield excitation in nonlinear plasma by sequence of relativistic electron bunches |
| title_fullStr | Wakefield excitation in nonlinear plasma by sequence of relativistic electron bunches |
| title_full_unstemmed | Wakefield excitation in nonlinear plasma by sequence of relativistic electron bunches |
| title_short | Wakefield excitation in nonlinear plasma by sequence of relativistic electron bunches |
| title_sort | wakefield excitation in nonlinear plasma by sequence of relativistic electron bunches |
| topic | Плазменная электроника |
| topic_facet | Плазменная электроника |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81207 |
| work_keys_str_mv | AT maslovvi wakefieldexcitationinnonlinearplasmabysequenceofrelativisticelectronbunches AT onishchenkoin wakefieldexcitationinnonlinearplasmabysequenceofrelativisticelectronbunches AT yarovayaip wakefieldexcitationinnonlinearplasmabysequenceofrelativisticelectronbunches AT maslovvi vozbuždeniekilʹvaternogopolâvnelineinoiplazmeposledovatelʹnostʹûrelâtivistskihélektronnyhsgustkov AT onishchenkoin vozbuždeniekilʹvaternogopolâvnelineinoiplazmeposledovatelʹnostʹûrelâtivistskihélektronnyhsgustkov AT yarovayaip vozbuždeniekilʹvaternogopolâvnelineinoiplazmeposledovatelʹnostʹûrelâtivistskihélektronnyhsgustkov AT maslovvi zbudžennâkílʹvaternogopolâvnelíníiníiplazmíposlídovnístûrelâtivístsʹkihelektronnihzgustkív AT onishchenkoin zbudžennâkílʹvaternogopolâvnelíníiníiplazmíposlídovnístûrelâtivístsʹkihelektronnihzgustkív AT yarovayaip zbudžennâkílʹvaternogopolâvnelíníiníiplazmíposlídovnístûrelâtivístsʹkihelektronnihzgustkív |