[論文レビュー] Introduction to Plasma Physics

P. Gibbon|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2016

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、準中性、集団的挙動、デバイ屏蔽、プラズマ内の波動伝播といった主要な概念に焦点を当て、プラズマ物理学の基礎的導入を提供する。非相対論的および相対論的プラズマにおけるデバイ長さと相対論的レーザー-プラズマ結合の導出は、正規化されたベクトルポテンシャルを用いて行われ、流体モデルと分散関係を用いたプラズマを用いた粒子加速器の理論的基盤を確立する。

ABSTRACT

The following notes are intended to provide a brief primer in plasma physics, introducing common definitions, basic properties and processes typically found in plasmas. These concepts are inherent in contemporary plasma-based accelerator schemes, and thus build foundation for the more advanced lectures which follow in this volume. No prior knowledge of plasma physics is required, but the reader is assumed to be familiar with basic electrodynamics and fluid mechanics.

研究の動機と目的

• プラズマベースの粒子加速器を理解するために不可欠な基礎的プラズマ物理学の概念を確立すること。
• 電磁気学的原則を用いて、プラズマにおける集団的挙動と準中性の物理的基盤を明確にすること。
• スクリーニングの主要パラメータであるデバイ屏蔽長を導出し説明すること。
• 2流体モデルと分散関係を用いて、プラズマ内の波動ダイナミクスを導入すること。
• 正規化されたベクトルポテンシャル $a_0$ を通じて、レーザー強度と相対論的効果を結びつけること。

提案手法

• 密度、運動量、圧力のための電子およびイオンの別々の流体方程式を用いた2流体モデルを使用する。
• 摂動電荷への応答として静電ポテンシャルをモデル化するためにガウスの法則とポアソンの式を適用する。
• 球座標系におけるボルツマン分布とポアソンの式を用いて、デバイ屏蔽ポテンシャルを導出する。
• 相対論的レーザー-プラズマ相互作用を特徴付けるために正規化されたベクトルポテンシャル $a_0$ を導入する。
• レーザー強度 $I_L$ と波長 $\lambda_L$ を $a_0 \simeq 0.85(I_{18}\lambda_\mu^2)^{1/2}$ を用いて関連付ける。
• 2流体方程式を用いて波動伝播を分析し、ラングミュア波および電磁波の分散関係を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズマは外部電荷をどのようにスクリーニングするのか、そしてこのスクリーニングの特徴的な長さスケールは何か？
• RQ2 レーザー-プラズマ相互作用において、相対論的電子運動が生じる条件は何か？
• RQ3 衝突のない準中性プラズマにおいて、集団的電磁波および静電波はどのように発生するのか？
• RQ4 単一流体モデルや運動論的モデルと比較して、2流体モデルはプラズマ波動ダイナミクスをどのように記述するか？
• RQ5 正規化されたベクトルポテンシャル $a_0$ は、相対論的プラズマ領域におけるレーザー強度と波長とどのように関係しているか？

主な発見

• デバイ屏蔽長 $\lambda_D$ は、電荷スクリーニングによる静電ポテンシャルの減衰スケールとして導出され、$\lambda_D = \sqrt{\varepsilon_0 k_B T_e / (n_e e^2)}$ である。
• 電子温度 $T_e = T_i$ の水素プラズマにおいて、電子はイオンよりも約43倍速く運動するため、電子のスクリーニングダイナミクスにおいてイオンを固定されたと仮定することが妥当である。
• プラズマ内に置かれた帯電球のポテンシャルは、$\phi_D = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{e^{-r/\lambda_D}}{r}$ として指数関数的に減衰し、デバイ屏蔽が確認される。
• 相対論的電子運動は $a_0 \sim 1$ のとき発生し、これは $\lambda_L \approx 1$ $\mu$m において $I_L \geq 10^{18}$ W cm$^{-2}$ のレーザー強度に対応する。
• 正規化されたベクトルポテンシャルは $a_0 \simeq 0.85(I_{18}\lambda_\mu^2)^{1/2}$ で与えられ、レーザーパラメータと相対論的プラズマダイナミクスを結びつける。
• ラングミュア波および電磁波の分散関係は2流体モデルから導出され、プラズマ密度および温度に依存することが示された。