【摘 要】
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采用等离子体流体理论,从线性扰动方程出发,在背景等离子体中返回电流能有效中和以及不能有效中和电子束电流两种情形下,研究了实心电子束电流大小对非磁化等离子体填充的介
【机 构】
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武汉大学电气工程学院; 中南民族大学计算机科学学院;
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(11075123);国家自然科学青年基金项目(51207171)
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采用等离子体流体理论,从线性扰动方程出发,在背景等离子体中返回电流能有效中和以及不能有效中和电子束电流两种情形下,研究了实心电子束电流大小对非磁化等离子体填充的介质切伦科夫脉塞中束-波相互作用色散关系的影响。当电子束电流能被背景等离子体中返回电流完全中和时,在该条件下得到的色散关系与目前绝大多数文献中的结果相同。由此可以看出,这些文献的结果都是基于电子束电流被等离子体中返回电流所中和的前提下得到的。这在背景等离子体的电导率σ→∞大,或者电子束电流相对较小的情况下是合理的。一般而言,填充背景等离子体一般为稀薄等离子体,电导率有限,其等离子体中的返回电流还将以特征时间τ迅速衰减。当射入的强流相对论电子束为长脉冲或者束流高达十几kA甚至20kA时,填充的背景稀薄等离子体中的返回电流则有可能不能有效中和电子束电流。此时,电子束电流在其外缘产生的角向磁场高达T量级。该净磁场对等离子体而言相当于外加了一个近似恒定的直流角向扰动磁场。经过计算表明,在该角向扰动磁场下,等离子体中的扰动电流密度和扰动波动方程与电流被完全中和时的情形有所不同。此时,该扰动波动方程将会变为一个非性线的二阶偏微分方程而不能解析求解。但在ω>ωpe>>ωce和ωpe<ω<<ωce两种情形下,该方程仍可化为标准的贝塞尔方程可解析求解。通过求解这两种情形下介质切伦科夫脉塞中的色散方程,分别得到了它们的色散关系和波的增长率的表达式。结果表明,此时的色散关系与电子束电流被完全中和时的情形有所不同,且更加复杂。通过画图法画出这两种情况下的TM01模的色散曲线发现,虽然它们与电流被完全中和时的色散关系具有一些共同特性,例如随着等离子体密度和介质筒相对介电常数的提高,其频率也随之提高,但是它们的起始频率却各不相同,波的增长率也略有不同。
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