Усовершенствованное квазистатическое приближение

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Квазистатическое приближение является эффективным методом моделирования плазменного кильватерного ускорения, но оно становится неточным, если в сильнонелинейной волне отдельные частицы плазмы смещаются на большое расстояние в продольном направлении, если в плазме есть волны с ненулевой групповой скоростью или резкие градиенты плотности, или если форма пучка быстро меняется. Работа посвящена расширению квазистатического приближения, лишенному многих его ограничений и сохраняющему его основные преимущества – скорость вычислений и пониженную размерность расчетной области. В новом подходе учитывается обмен информацией между соседними слоями плазмы. В работе сформулирована физическая модель и описана ее численная реализация. Результаты моделирования сравниваются с существующими аналитическими решениями и другими кодами.

Об авторах

П. В. Туев

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН; Новосибирский государственный университет

Email: p.v.tuev@inp.nsk.su
Россия, Новосибирск; Россия, Новосибирск

Р. И. Спицын

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН; Новосибирский государственный университет

Email: p.v.tuev@inp.nsk.su
Россия, Новосибирск; Россия, Новосибирск

К. В. Лотов

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН; Новосибирский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: p.v.tuev@inp.nsk.su
Россия, Новосибирск; Россия, Новосибирск

Список литературы

  1. Albert F., Couprie M.E., Debus A., Downer M.C., Faure J., Flacco A., Gizzi L.A., Grismayer T., Huebl A., Joshi C., Labat M., Leemans W.P., Maier A.R., Mangles S.P.D., Mason P., Mathieu F., Muggli P., Nishiuchi M., Oster-hoff J., Rajeev P.P., Schramm U., Schreiber J., Tho-mas A.G.R., Vay J.-L., Vranic M., Zeil K. // New J. Phys. 2021. V. 23. P. 031101. https://doi.org/10.1088/1367-2630/abcc62
  2. Vay J.-L., Lehe R. // Rev. Accelerator Science Technology. 2016. V. 9. P. 165. https://doi.org/10.1142/S1793626816300085
  3. Lotov K.V. // Nuclear Instr. Methods A. 1998. V. 410. P. 461. https://doi.org/10.1016/S0168-9002(98)00178-8
  4. Burdakov A.V., Kudryavtsev A.M., Logatchov P.V., Lo-tov K.V., Petrenko A.V., Skrinsky A.N. // Plasma Phys. Rep. 2005. V. 31. P. 292. [Бурдаков А.В., Кудряв-цев А.М., Логачев П.В., Лотов К.В., Петренко А.В., Скринский А.Н. // Физика плазмы, 2005, Т. 31, C. 327–335.]https://doi.org/10.1134/1.1904145
  5. Schroeder C.B., Esarey E., Geddes C.G.R., Benedetti C., Leemans W.P. // Phys. Rev. ST Accel. Beams. 2010. V. 13. P. 101301. https://doi.org/10.1103/PhysRevSTAB.13.101301
  6. Nakajima K., Deng A., Zhang X., Shen B., Liu J., Li R., Xu Z., Ostermayr T., Petrovics S., Klier C., Iqbal K., Ruhl H., Tajima T. // Phys. Rev. ST Accel. Beams. 2011. V. 14. P. 091301. https://doi.org/10.1103/PhysRevSTAB.14.091301
  7. Schroeder C.B., Esarey E., Leemans W.P. // Phys. Rev. ST Accel. Beams, 2012. V. 15. P. 051301. https://doi.org/10.1103/PhysRevSTAB.15.051301
  8. Vay J.-L. // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 98. P. 130405. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.130405
  9. Vay J.-L., Geddes C.G.R., Cormier-Michel E., Gro-te D.P. // J. Computational Phys. 2011. V. 230. P. 5908. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2011.04.003
  10. Sprangle P., Esarey E., Ting A. // Phys. Rev. Lett. 1990. V. 64. P. 2011. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.64.2011
  11. Mora P., Antonsen T.M. // Phys. Plasmas. 1997. V. 4. P. 217. https://doi.org/10.1063/1.872134
  12. Jain N., Palastro J., Antonsen T.M., Mori W.B., An W. // Phys. Plasmas, 2015. V. 22. P. 023103. https://doi.org/10.1063/1.4907159
  13. Sosedkin A.P., Lotov K.V. // Nuclear Instr. Methods A. 2016. V. 829. P. 350. https://doi.org/10.1016/j.nima.2015.12.032
  14. An W., Decyk V.K., Mori W.B., Antonsen Jr. T.M. // J. Computational Phys. 2013. V. 250. P. 165. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2013.05.020
  15. Mehrling T., Benedetti C., Schroeder C.B., Osterhoff J. // Plasma Phys. Control. Fusion, 2014. V. 56. P. 084012. https://doi.org/10.1088/0741-3335/56/8/084012
  16. Pukhov A., Farmer J.P. // Phys. Rev. Lett. 2018. V. 121. P. 264801. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.264801
  17. Zhu W., Palastro J.P., Antonsen T.M. // Phys. Plasmas, 2012. V. 19. P. 033105. https://doi.org/10.1063/1.3691837
  18. Huang C., Decyk V.K., Ren C., Zhou M., Lu W., Mo-ri W.B., Cooley J.H., Antonsen Jr.T.M., Katsouleas T. // J. Computational Phys. 2006. V. 217. P. 658. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2006.01.039
  19. Спицын Р.И. Магистерская дисс. Новосибирский государственный университет, 2016. https://www.inp.nsk.su/~dep_plasma/dip/Spitsyn_m.pdf.
  20. Terzani D., Benedetti C., Schroeder C.B., Esarey E. // Phys. Plasmas. 2021. V. 28. P. 063105. https://doi.org/10.1063/5.0050580
  21. Sprangle P., Esarey E., Krall J., Joyce G., Phys. Rev. Lett., 1992. V. 69. P. 2200. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.69.2200
  22. Esarey E., Sprangle P., Krall J., Ting A., Joyce G. // Phys. Fluids B. 1993. V. 5. P. 2690. https://doi.org/10.1063/1.860707
  23. Lotov K.V. // Phys. Plasmas. 1998. V. 5. P. 785. https://doi.org/10.1063/1.872765
  24. Zgadzaj R., Silva T., Khudyakov V.K., Sosedkin A., Al-len J., Gessner S., Li Z., Litos M., Vieira J., Lotov K.V., Hogan M.J., Yakimenko V., Downer M.C. // Nature Comm. 2020. V. 11. P. 4753. https://doi.org/10.1038/s41467-020-18490-w
  25. Khudiakov V.K., Lotov K.V., Downer M.C. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2022. V. 64. P. 045003. https://doi.org/10.1088/1361-6587/ac4523
  26. Benedetti C., Schroeder C.B., Geddes C.G.R., Esarey E., Leemans W.P. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2018. V. 60. P. 014002. https://doi.org/10.1088/1361-6587/aa8977
  27. Zhu W., Palastro J.P., Antonsen T.M. // Phys. Plasmas. 2013. V. 20. P. 073103. https://doi.org/10.1063/1.4813245
  28. Lotov K.V. // Phys. Rev. ST Accel. Beams. 2003. V. 6. P. 061301. https://doi.org/10.1103/PhysRevSTAB.6.061301
  29. https://lcode.info/.
  30. See the LCODE manual at https://lcode.info/site-files/manual.pdf.
  31. Crank J., Nicolson P. // Mathematical Proceed. Cambridge Philosophical Soc. 1947. V. 43. P. 50. https://doi.org/10.1017/S0305004100023197
  32. Peaceman D.W., Rachford H.H. // J. Soc. Industrial Applied Math. 1955. V. 3. P. 28. https://doi.org/10.1137/0103003
  33. Douglas J. // J. Soc. Industrial Applied Math. 1955. V. 3. P. 42. https://doi.org/10.1137/0103004
  34. Esarey E., Leemans W.P. // Phys. Rev. E. 1999. V. 59. P. 1082. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.59.1082
  35. Lehe R., Kirchen M., Andriyash I.A., Godfrey B.B., Vay J.-L. // Computer Phys. Communications. 2016. V. 203. P. 66. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2016.02.007
  36. Luo J., Chen M., Zhang G.-B., Yuan T., Yu J.-Y., Shen Z.-C., Yu L.-L., Weng S.-M., Schroeder C. B., Esa-rey E. // Phys. Plasmas. 2016. V. 23. P. 103112. https://doi.org/10.1063/1.4966047
  37. Massimo F., Beck A., Derouillat J., Grech M., Lobet M., Perez F., Zemzemi I., Specka A. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2019. V. 61. P. 124001. https://doi.org/10.1088/1361-6587/ab49cf
  38. Terzani D., Londrillo P. // Computer Phys. Communicat. 2019. V. 242. P. 49. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2019.04.007
  39. Pukhov A., Meyer-ter-Vehn J. // Appl. Phys. B, 2002. V. 74. P. 355. https://doi.org/10.1007/s003400200795
  40. Malka V. // Phys. Plasmas, 2012. V. 19. P. 055501. https://doi.org/10.1063/1.3695389
  41. Esarey E., Schroeder C.B., Leemans W.P. // Rev. Mod. Phys. 2009. V. 81. P. 1229. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1229
  42. Morshed S., Antonsen T.M., Palastro J.P. // Phys. Plasmas, 2010. V. 17. P. 063106. https://doi.org/10.1063/1.3432685
  43. Tuev P.V., Lotov K.V. Proc. 47th EPS Conference on Plasma Phys. 2021. P. 2.2004. http://ocs.ciemat.es/EPS2021PAP/pdf/P2.2004.pdf.
  44. Irkutsk Supercomputer Center of SB RAS (available at: http://ocs.ciemat.es/EPS2021PAP/pdf/P2.2004.pdf).

Дополнительные файлы


© Российская академия наук, 2023