[論文レビュー] Physics of high-intensity high-energy particle beam propagation in open air and outer-space plasmas

André Gsponer|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2004

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 300被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、大気および宇宙プラズマ中の高強度・高エネルギー粒子ビームの伝搬に関する包括的な理論的・実験的レビューを提示している。ビーム自己焦点化、プラズマ生成、エネルギー損失、安定性のメカニズムをカバーしており、大気中では数Nordsieck長に相当する距離にわたり、安定した自己ピンチングビーム伝搬が可能であることを示している。陽子ビームは長距離にわたり偏光を受けることなく伝搬可能であり、電子-陽電子対からなるプラズモイドビーム（例：電子-陽電子対）は、GeV〜TeVエネルギー領域で地球の磁場を安定して貫通する伝搬が可能である。

ABSTRACT

This report is a self-contained and comprehensive review of the physics of propagating pulses of high-intensity high-energy particle beams in pre-existing or self-generated plasmas. Consideration is given to beams of electrons, protons, muons, and their antiparticles, as well as to neutral-hydrogen, positronium, and electron-positron-plasmoid beams. The first part is a systematic overview of the theory pertaining to propagation, plasma self-generation, energy/current-losses, and stability of such pulses. The second part reviews the major full-scale propagation experiments which have been carried out, in atmospheric and outer-space plasmas, to assess the validity of theoretical models. It is found that the data available on these experiments demonstrate that range and stability are in agreement with theory. In particular, stable self-pinched propagation of high-current charged-particle beams in the atmosphere is possible over distances equal to several Nordsieck lengths. In order not to be deflected by Earth's magnetic field, electron-beam pulses need to be guided by a pre-formed channel, while proton-beam pulses may under suitable conditions propagate undeflected through both the low- and high-atmosphere. In ionospheric or outer-space plasmas, very-long-range propagation across Earth's magnetic field requires GeV to TeV electrons or positron beams in order for the transverse deflection to be acceptable, while undeflected propagation is possible for plasmoid beams consisting of co-moving high-energy particle pairs such as electrons and positrons.

研究の動機と目的

• 事前存在するおよび自己生成プラズマ中の高強度・高エネルギー粒子ビーム伝搬の物理学を体系的に分析すること。
• 大気および宇宙ベースのビーム伝搬実験から得られる大規模な実験データを用いて、理論的モデルの妥当性を評価すること。
• 外部磁場（例：地球の磁場）が存在する状況下でも、安定的かつ長距離にわたるビーム伝搬が可能となる条件を特定すること。
• 高密度ガスおよびプラズマ中におけるビーム誘導プラズマおよびリターン電流の役割を含め、ビーム誘導および中性化の可能性を評価すること。
• 宇宙環境における長距離・安定伝搬が可能なエキゾチックビーム（例：プラズモイド、陽電子様子、反粒子ビーム）の可能性を検討すること。

提案手法

• ビーム-プラズマ相互作用、空間電荷力、外部磁場を組み込んだ自己整合的理論枠組みの構築。
• 密度の高いプラズマ環境におけるエネルギー損失および電流損失をモデル化するためのNordsieck方程式の適用。
• プラズマチャネル内でのビーム自己焦点化および電流中性化を記述するBennettピンチモデルの使用。
• 2流体不安定性、Weibel不安定性、ねじれ不安定性を含むマイクロおよびマクロ不安定性の分析を通じて、ビーム安定性の評価。
• 特に大気圧下の空気および電離圏プラズマにおいて、静電的または磁気的チャネルを用いたビーム誘導のモデル化。
• ATA、RADLAC、LIA、PHERMEXなどの主要施設からの実験データのシミュレーションおよび解釈により、理論的予測の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大気および宇宙プラズマ中で、高電流の荷電粒子ビームが長距離にわたり安定して伝搬可能な条件は何か？
• RQ2 ビーム誘導プラズマおよびリターン電流は、伝搬中のビーム中性化およびエネルギー損失にどのように影響を与えるか？
• RQ3 マイクロおよびマクロ不安定性（2流体、Weibel、ねじれ不安定性など）は、ビーム安定性および伝搬距離を制限する要因として果たす役割は何か？
• RQ4 共進む粒子-反粒子対（例：高エネルギー電子-陽電子対）からなるプラズモイドビームは、地球の磁場を安定して貫通して伝搬可能か？
• RQ5 電離圏または外宇宙において、長距離にわたり偏光を受けることなく伝搬させるために必要な臨界的ビームパラメータ（エネルギー、電流、パルス幅）は何か？

主な発見

• 大気中では、数Nordsieck長に相当する距離にわたり、安定した自己ピンチングビーム伝搬が可能である。
• 電子ビームパルスは、地球の磁場による偏光を避けるために事前に形成されたプラズマチャネルを必要とするが、陽子ビームは適切な条件下で低層・高層大気を偏光を受けることなく伝搬可能である。
• 電離圏または宇宙空間のプラズマ中を地球の磁場を横断して長距離伝搬させるには、GeV〜TeVエネルギーの電子または陽電子ビームが必要であり、これにより横方向の偏光を最小限に抑えることができる。
• 共進む高エネルギー電子-陽電子対からなるプラズモイドビームは、内在的な電流中性化のおかげで、磁場を安定して貫通して伝搬可能である。
• ATA、RADLAC、LIA-30などの施設からの実験データは理論的予測と良好に一致しており、観測されたビーム範囲および安定性が理論モデルと整合していることが確認された。
• リターン電流によるオーム加熱およびビーム先端の侵食は、特に高電流および大気密度が高い状況で顕著な損失メカニズムである。