电子束在背景等离子体中传播所激发的静电波-波非线性相互作用的物理区间

电子束-等离子体相互作用长期为备受关注的课题。尽管准线性（QL）理论与弱湍流（WT）理论取得成功，其有效性受限于需足够稠密的模谱与小波幅。本文通过大量高分辨率二维（2D）粒子网格（PIC）模拟与解析理论，广泛研究了由热阴极发射、在冷等离子体中传播的单能电子束的集体过程。我们确认两流不稳定性的初始阶段因著名的波俘获机制而饱和。后续演化由强波-波非线性过程发生。我们表明束-等离子体相互作用在等离子体及束参数空间中可划分为四种不同物理区间，并详细分析了各区间差异。我们首次在强Langmuir湍流中确认了一个新的区间，其以我们所称的电子调制不稳定性（EMI）为特征，该不稳定性可产生比离子等离子体频率增长更快的局域Langmuir波包。在初始增长阶段离子来不及对EMI作出响应。在更长时标上，有质动力产生极强的离子密度扰动，最终因强离子密度扰动束-等离子体波相互作用不再共振。因此，在此EMI区间中，电子束-等离子体相互作用以周期性（间歇）过程发生。束被波强烈散射，Langmuir波谱显著展宽，进而引起主体电子的强烈加热。在强湍流区间中观测到kappa分布与波能谱$E^2 (k)~k^{-5}$。