相对性束在磁性等离子体中激发的电磁尾场的理论分析与PIC仿真

本研究对相对性电子束沿受外部轴向磁场作用的冷等离子体通道传播所激发的耦合纵向和径向尾场进行了理论与数值分析。从磁性等离子体介电张量中的线性麦克斯韦流体方程直接建立了完全因果的三维格林函数形式。该统一框架完整地捕捉了电磁响应，包括横向等离子体电流的诱导以及纵向电荷分离动力学与离子共振驱动的横向运动的混合。解析理论揭示了磁化如何修改有效恢复力、增强尾场幅度以及重塑径向聚焦/去聚焦结构。为验证理论预测并探索现实参数范围，开展了大量三维粒子-in-cell仿真，使用EPOCH代码在广泛的等离子体密度、磁场强度、束流洛伦兹因子、横向束半径和纵向电流轮廓范围内进行。仿真结果表明，理论格林函数解在定量上得到很好的一致性，确认增加等离子体密度显著放大初始尾场幅度，同时加速高阶振荡的衰减。应用外部磁场可引起高频径向振荡，增强聚焦力，并产生一种在无磁化极限中不存在的混合本征模。驱动器洛伦兹因子的变化导致其快速收敛至统一的超相对论尾场结构，而横向束轮廓控制径向范围及其在纵向加速与横向聚焦之间的平衡。