Spatiotemporal dynamics of ultrarelativistic beam-plasma instabilities - ENSTA Paris - École nationale supérieure de techniques avancées Paris Accéder directement au contenu
Article Dans Une Revue Physical Review Research Année : 2022

Spatiotemporal dynamics of ultrarelativistic beam-plasma instabilities

J.R. Peterson
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I. Andriyash
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  • PersonId : 932345
R. Ariniello
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H. Ekerfelt
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C. Emma
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S. Gessner
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M. Hogan
C. Joshi
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C.H. Keitel
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M. Litos
K. Marsh
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Z. Nie
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B. O'Shea
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D. Storey
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N. Vafaei-Najafabadi
Y. Wu
X. Xu
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J. Yan
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C. Zhang
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M. Tamburini
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F. Fiuza
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S. Corde

Résumé

An electron or electron-positron beam streaming through a plasma is notoriously prone to microinstabilities. For a dilute ultrarelativistic infinite beam, the dominant instability is a mixed mode between longitudinal two-stream and transverse filamentation modes, with a phase velocity oblique to the beam velocity. A spatiotemporal theory describing the linear growth of this oblique mixed instability is proposed which predicts that spatiotemporal effects generally prevail for finite-length beams, leading to a significantly slower instability evolution than in the usually assumed purely temporal regime. These results are accurately supported by particle-in-cell (PIC) simulations. Furthermore, we show that the self-focusing dynamics caused by the plasma wakefields driven by finite-width beams can compete with the oblique instability. Analyzed through PIC simulations, the interplay of these two processes in realistic systems bears important implications for upcoming accelerator experiments on ultrarelativistic beam-plasma interactions.

Dates et versions

hal-03280355 , version 1 (07-07-2021)

Identifiants

Citer

P. San Miguel Claveria, X. Davoine, J.R. Peterson, M. Gilljohann, I. Andriyash, et al.. Spatiotemporal dynamics of ultrarelativistic beam-plasma instabilities. Physical Review Research, 2022, 4 (2), pp.023085. ⟨10.1103/PhysRevResearch.4.023085⟩. ⟨hal-03280355⟩
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