Impact of collisions on the dynamics of waves of finite amplitude in a plasma

Authors

  • Alexander R. Karimov National Research Nuclear University “MEPhI”, 31, Kashirskoe sh., Moscow, 115409, Russian Federation
  • Vladislav K. Bogdanov National Research Nuclear University “MEPhI”, 31, Kashirskoe sh., Moscow, 115409, Russian Federation

DOI:

https://doi.org/10.21638/11701/spbu10.2022.204

Abstract

The problem of determining wave dynamics, considering the evolution of nonlinear waves of finite amplitude in a weakly collisional, Maxwellian plasma, is the focus of this article. Considering this medium with a certain interaction potential associated with a certain limited core of pairwise interaction, the dynamics of the distribution function was studied using the Vlasov equation. Collisions of electrons with neutral particles are described using the collision integral in the Bhatnagar — Gross — Krook form. Having constructed its particular solution and the equilibrium distribution function in the form of a series, an equation was obtained that makes it possible to determine the potential function. Considering the case of a Maxwellian plasma, an integral potential equation was obtained. Based on it, an equation was constructed that determines the perturbation of the potential relative to the spatially homogeneous one. At the same time, this perturbation appears due to the existence of some spatial-temporal stable structure. Based on this, a dispersion relation was obtained, which makes it possible to estimate the spatial scales of the coherent structure.

Keywords:

nonideal plasma, weak collisions, coherent structures, waves of finite amplitude

Downloads

Download data is not yet available.
 

References

Литература

Файнберг Я. Б. Ускорение частиц в плазме // Атомная энергия. 1959. Т. 6. Вып. 4. С. 431–446.

Ашанин И. А., Ключевская Ю. Д., Махоро А. А., Механикова В. Ю., Мосолова О. А., Полозов С. М., Проников А. И., Ращиков В. И. Динамика пучка в линейном ускорителе-инжекторе Специализированного источника синхротронного излучения 4-го поколения ИССИ-4 // Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2019. Т. 15. Вып. 1. С. 126–139.

Кадомцев Б. Б. Затухание Ландау и эхо в плазме // Успехи физ. наук. 1968. Т. 95. Вып. 1. С. 111–129.

Schamel H. Hole equilibria in Vlasov — Poisson systems: A challenge to wave theories of ideal plasmas // Phys. Plasmas. 2000. Vol. 7. Iss. 12. P. 4831–4844.

Овсянников Д. А., Дривотин О. И. Моделирование интенсивных пучков заряженных частиц. СПб.: С.-Петерб. гос. ун-т, 2003. 176 с.

Diamond P. H., Itoh S.-I., Itoh K., Hahm T. S. Zonal flows in plasma — a review // Plasma Phys. Control. Fusion. 2005. Vol. 47. Iss. 5. P. R35–R161.

Rowlands G., Dieckmann M. E., Shukla P. K. The plasma filamentation instability in one dimension: nonlinear evolution // New J. Phys. 2007. Vol. 9. Iss. 8. N 247.

Polozov S. M. A possible scheme of electron beam bunching in laser plasma accelerators // NIM A. 2013. Vol. 729. Iss. 11. P. 517–521.

Roudskoy I., Kulevoy T. V., Petrenko S. V., Kuibeda R. P., Seleznev D. N., Pershin V. I., Hershcovitch A., Johnson B. M., Gushenets V. I., Oks E. M., Poole H. P. Bernas ion source discharge simulation // Review of Scientific Instruments. 2008. Vol. 79. Iss. 2. P. 02B313. 10. Потанин Е. П. Нагрев ионов гадолиниевой плазмы методом ионного циклотронного резонанса // Журн. техн. физики. 2006. Т. 76. Вып. 12. С. 47–51.

Van Kampen N. G. On the theory of stationary waves in plasmas // Physica. 1955. Vol. 21. P. 949–963.

Case K. M. Plasma oscillations // Ann. Phys. 1959. Vol. 7. Iss. 3. P. 349–364.

Bernstein I. B., Greene J. M., Kruskal M. D. Exact nonlinear plasma oscillations // Phys. Rev. 1957. Vol. 108. Iss. 3. P. 546–549.

Villani C. Particle systems and nonlinear Landau damping // Phys. Plasmas. 2014. Vol. 21. Iss. 3. P. 030901.

Kaganovich I. D. Effects of collisions and particle trapping on collisionless heating // Phys. Rev. 1999. Vol. 88. Iss. 2. P. 327–330.

Zheng J., Qin H. On the singularity of the Vlasov — Poisson system // Phys. Plasmas. 2013. Vol. 20. Iss. 9. P. 092114.

Karimov A. R., Lewis H. R. Nonlinear solutions of the Vlasov — Poisson equations // Phys. Plasmas. 1999. Vol. 6. Iss. 3. P. 759–761.

Karimov A. R. Nonlinear solutions of a Maxwellian type for the Vlasov — Poisson equations // Phys. Plasmas. 2001. Vol. 8. Iss. 5. P. 1533–1537.

Karimov A. R., Bogdanov V. K. Formation of kinetics coherent structures in weakly collisional media // Plasma. 2021. Vol. 4. Iss. 2. P. 359–365.

Власов А. А. Нелокальная статистическая механика. М.: Наука, 1978. 264 с.


References

Fainberg Ja. B. Uskorenie chastits v plasme [Acceleration of particles in plasma.] Atomic Energy, 1959, vol. 6, iss. 4, pp. 431–446. (In Russian)

Ashanin I. A., Klyuchevskaya Yu. D., Makhoro A. A., Mekhanikova V. Yu., Mosolova O. A., Polozov S. M., Pronikov A. I., Rashchikov V. I. Dinamika puchka v lineinom uskoritele-inzhektore Spetsializirovannogo istochnika sinkhrotronnogo izlucheniia 4-go pokoleniia ISSI-4 [Beam dynamics in the linear accelerator-injector of the Specialized source of synchrotron radiation of the 4th generation ISSI-4]. Vestnik of Saint Petersburg University. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 2019, vol. 15, no. 1, pp. 126–139.

Kadomtsev B. B. Zatukhanie Landau i echo v plasme [Landau damping and echo in plasma.] Usp. phys. nauk [Successes of Physical Sciences], 1968, vol. 95, iss. 1, pp. 111–129. (In Russian)

Schamel H. Hole equilibria in Vlasov — Poisson systems: A challenge to wave theories of ideal plasmas. Phys. Plasmas, 2000, vol. 7, iss. 12, pp. 4831–4844.

Ovsyannikov D. A., Drivotin O. I. Modelirovanie intensivnykh puchkov zariazhennykh chastits [Simulation of intense beams of charged particles]. St Petersburg, St Petersburg State University Press, 2003, 176 p. (In Russian)

Diamond P. H., Itoh S.-I., Itoh K., Hahm T. S. Zonal flows in plasma — a review. Plasma Phys. Control. Fusion, 2005, vol. 47, iss. 5, pp. R35–R161.

Rowlands G., Dieckmann M. E., Shukla P. K. The plasma filamentation instability in one dimension: nonlinear evolution. New J. Phys., 2007, vol. 9, iss. 8, no. 247.

Polozov S. M. A possible scheme of electron beam bunching in laser plasma accelerators. NIM A, 2013, vol. 729, iss. 11, pp. 517–521.

Roudskoy I., Kulevoy T. V., Petrenko S. V., Kuibeda R. P., Seleznev D. N., Pershin V. I., Hershcovitch A., Johnson B. M., Gushenets V. I., Oks E. M., Poole H. P. Bernas ion source discharge simulation. Review of Scientific Instruments, 2008, vol. 79, iss. 2, p. 02B313.

Potanin E. P. Nagrev ionov gadolinievoi plazmy metodom ionnogo tsiklotronnogo rezonansa [Heating of gadolinium plasma ions by the ion cyclotron resonance method]. Journal of Technical Physics, 2006, vol. 76, iss. 12, pp. 47–51. (In Russian)

Van Kampen N. G. On the theory of stationary waves in plasmas. Physica, 1955, vol. 21, pp. 949–963.

Case K. M. Plasma oscillations. Ann. Phys., 1959, vol. 7, iss. 3, pp. 349–364.

Bernstein I. B., Greene J. M., Kruskal M. D. Exact nonlinear plasma oscillations. Phys. Rev., 1957, vol. 108, iss. 3, pp. 546–549.

Villani C. Particle systems and nonlinear Landau damping. textit Phys. Plasmas, 2014, vol. 21, iss. 3, p. 030901.

Kaganovich I. D. Effects of collisions and particle trapping on collisionless heating. Phys. Rev., 1999, vol. 88, iss. 2, pp. 327–330.

Zheng J., Qin H. On the singularity of the Vlasov — Poisson system. Phys. Plasmas, 2013, vol. 20, iss. 9, p. 092114.

Karimov A. R., Lewis H. R. Nonlinear solutions of the Vlasov — Poisson equations. Phys. Plasmas, 1999, vol. 6, iss. 3, pp. 759–761.

Karimov A. R. Nonlinear solutions of a Maxwellian type for the Vlasov — Poisson equations. Phys. Plasmas, 2001, vol. 8, iss. 5, pp. 1533–1537.

Karimov A. R., Bogdanov V. K. Formation of kinetics coherent structures in weakly collisional media. Plasma, 2021, vol. 4, iss. 2, pp. 359–365.

Vlasov A. A. Nelokal'naia statisticheskaia mekhanika [Nonlocal statistical mechanics]. Moscow, Nauka Publ., 1978, 264 p. (In Russian)

Published

2022-07-28

How to Cite

Karimov, A. R., & Bogdanov, V. K. (2022). Impact of collisions on the dynamics of waves of finite amplitude in a plasma. Vestnik of Saint Petersburg University. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 18(2), 231–238. https://doi.org/10.21638/11701/spbu10.2022.204

Issue

Section

Computer Science