پدیده جفت‌شدگی و انتقال انرژی بین میدان‌های طولی و شعاعی در یک شتاب‌دهنده پلاسمایی محرک پروتونی با کانال سهموی

گلیان, یاسمن; بهشتی پور, صالحه

doi:10.22055/jrmbs.2026.20761

پدیده جفت‌شدگی و انتقال انرژی بین میدان‌های طولی و شعاعی در یک شتاب‌دهنده پلاسمایی محرک پروتونی با کانال سهموی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

یاسمن گلیان ¹^{، 2}

صالحه بهشتی پور ¹^{، 2}

¹ گروه فیزیک، واحد تهران مرکزی، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

² دانشکده علوم و فناوری‌های زیست اجتماعی و کوانتومی، واحد تهران، ایران

10.22055/jrmbs.2026.20761

چکیده

این پژوهش یک مدل نظری برای شتاب‌دهی باریکه‌های ذرات باردار در کانال پلاسما با پروفایل چگالی سهموی ارائه می‌دهد. یک باریکه پروتون گاوسی برای برانگیختن میدان‌های دنباله‌ای طولی و شعاعی استفاده شده که توسط توابع ویتاکر توصیف می‌شوند. میدان دنباله‌ای شعاعی رفتاری غیرعادی نشان می‌دهد به‌طوری که دامنه آن با افزایش فاصله از محور باریکه زیاد می‌شود. این پدیده ناشی از انتقال تدریجی انرژی از نوسانات طولی روی محور به نوسانات شعاعی نزدیک دیواره کانال است. شبیه‌سازی‌های دوبعدی انجام‌شده با کد L-CODE تطابق عالی با نتایج تحلیلی نشان می‌دهند. همچنین مقایسه میدان‌های دنباله‌ای در دماهای ۰ و ۱ الکترون‌ولت نشان‌دهنده کاهش دامنه با افزایش دماست که به‌دلیل افزایش تحرک یون‌ها و تشدید میرایی لاندائو ناشی می‌شود؛ میرایی لاندائو مکانیزم برهمکنش موج‌ذره در پلاسمای بدون برخورد است.

کلیدواژه‌ها

پروفایل گاوسی

توابع ویتاکر

کانال پلاسمای سهموی

میدان دنباله‌ای

L-CODE

موضوعات

فیزیک اتمی-مولکولی

عنوان مقاله English

Coupling and Energy Transfer between Longitudinal and Radial Fields in a Parabolic Plasma Wakefield Accelerator Driven by a Proton Beam

نویسندگان English

Yasaman Golian ¹ ²

Saleheh Beheshtipour ¹ ²

¹ Department of Physics, Central Tehran Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

² Institute of Biosocial and Quantum Science and Technologies, CT.C, Islamic Azad University, Tehran, Iran

چکیده English

This study presents a theoretical model for accelerating charged particle beams in a plasma channel with a parabolic density profile. A Gaussian proton beam is used to excite longitudinal and radial wakefields, described by Whittaker functions. The radial wakefield exhibits anomalous behavior, with its amplitude increasing as a function of the distance from the beam axis. This phenomenon is attributed to a gradual energy transfer from on-axis longitudinal oscillations to radial oscillations near the channel wall. Two-dimensional simulations performed with the L-CODE show excellent agreement with the analytical results. Furthermore, a comparison of the wakefields at temperatures of 0 eV and 1 eV reveals a reduction in amplitude with increasing temperature, which is caused by enhanced ion mobility and intensified Landau damping—a wave-particle interaction mechanism occurring in collisionless plasmas.

کلیدواژه‌ها English

Gaussian Profile

Whittaker Function

Parabolic Plasma Channel

Wakefields

L-CODE

[1] E. Esarey, C.B. Schroeder, W.P. Leemans, Physics of laser-driven plasma-based electron accelerators, Rev. Mod. Phys. 81 (2009) 1229–1285. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1229.

[2] B. Hidding, R. Assmann, M. Bussmann, D. Campbell, Y. Chang, S. Corde, J. Couperus Cabadağ, A. Debus, A. Döpp, M. Gilljohann, J. Götzfried, F.M. Foerster, F. Haberstroh, F. Habib, T. Heinemann, D. Hollatz, A. Irman, M. Kaluza, S. Karsch, O. Kononenko, A. Knetsch, T. Kurz, S. Kuschel, A. Köhler, A. Martinez de la Ossa, A. Nutter, R. Pausch, G. Raj, U. Schramm, S. Schöbel, A. Seidel, K. Steiniger, P. Ufer, M. Yeung, O. Zarini, M. Zepf, Progress in hybrid plasma wakefield acceleration, Photonics. 10 (2023) 99.

https://doi.org/10.3390/photonics10020099.

[3] B. Hidding, B. Foster, M.J. Hogan, P. Muggli, J.B. Rosenzweig, Directions in plasma wakefield acceleration, Phil. Trans. R. Soc. A. 377 (2019) 20190215. https://doi.org/10.1098/rsta.2019.0215.

[4] C. Joshi, E. Adli, W. An, C.E. Clayton, S. Corde, S. Gessner, M.J. Hogan, M. Litos, W. Lu, K.A. Marsh, W.B. Mori, N. Vafaei-Najafabadi, B. O’Shea, X. Xu, G. White, V. Yakimenko, Plasma wakefield acceleration experiments at FACET II, Plasma Phys. Control. Fusion. 60 (2018) 034001. https://doi.org/10.1088/1361-6587/aaa2e3.

[5] C. Joshi, The development of laser- and beam-driven plasma accelerators as an experimental field, Phys. Plasmas. 14 (2007) 055501. https://doi.org/10.1063/1.2721965.

[6] A. Down, Particle beam waist location in plasma wakefield acceleration: Introduction and background, Am. J. Undergrad. Res. 5 (2007) 3. https://doi.org/10.33697/ajur.2007.003.

[7] T. Tajima, J. Dawson, Laser electron accelerator, Phys. Rev. Lett. 43 (1979) 267–270. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.43.267.

[8] K.V. Lotov, A.P. Sosedkin, A.V. Petrenko, L.D. Amorim, J. Vieira, R.A. Fonseca, L.O. Silva, E. Gschwendtner, P. Muggli, Electron trapping and acceleration by the plasma wakefield of a self-modulating proton beam, Phys. Plasmas. 21 (2014) 123116–123125. https://doi.org/10.48550/arXiv.1408.4448.

[9] R.T. Sandberg, A.G.R. Thomas, Electron-beam-driven plasma wakefield acceleration of photons, Phys. Plasmas. 30 (2023) 113105. https://doi.org/10.1063/5.0174055.

[10] G. Khachatryan Arsen, Excitation of nonlinear two-dimensional wake waves in radially nonuniform plasma, Phys. Rev. E. 60 (1999) 6210–6218.

https://doi.org/10.1103/PhysRevE.60.6210.

[11] P. Jha, P. Kumar, A.K. Upadhyaya, G. Raj, Electric and magnetic wakefields in a plasma channel, Phys. Rev. Accel. Beams. 8 (2005) 071301. https://doi.org/10.1103/PhysRevSTAB.8.071301.

[12] G. Doumy, F. Quéré, O. Gobert, M. Perdrix, Ph. Martin, P. Audebert, J.C. Gauthier, J.P. Geindre, T. Wittmann, Complete characterization of a plasma mirror for the production of high-contrast ultraintense laser pulses, Phys. Rev. E. 69 (2004) 026402. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.69.026402.

[13] R. Fallah, S.M. Khorashadizadeh, Numerical analysis of wakefield generated by a Gaussian microwave pulse in a plasma waveguide, J. Res. Many-Body Syst. 8 (2018) 153-162.

https://doi.org/10.22055/jrmbs.2018.13956. [In Persian]

[14] S. Chen, G.S. Sarkisov, A. Maksimchuk, R. Wagner, D.P. Umstadter, Evolution of a plasma waveguide created during relativistic ponderomotive self-channeling of an intense laser pulse, Phys. Rev. Lett. 80 (1998) 2610–2614. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.80.2610.

[15] Y. Golian, M. Aslaninejad, D. Dorranian, Whittaker functions in beam driven plasma wakefield acceleration for a plasma with a parabolic density profile, Phys. Plasmas. 23 (2016)013109.

https://doi.org/10.1063/1.4940347.

[16] E. Cormier-Michel, E. Esarey, C. Geddes, C.B. Schroeder, K. Paul, P.J. Mullowney, J. Cary, W.P. Leemans, Control of focusing fields in laser-plasma accelerators using higher-order modes, Phys. Rev. Accel. Beams. 14 (2011) 1–14. https://doi.org/10.1103/PhysRevSTAB.14.031303.

[17] LCODE, LCODE - plasma wakefield simulation code. https://lcode.info, 2019–2025 (accessed 1 July 2026).