Collisionless electron beam–plasma instabilities are expected to play an important role in fast ignition. Such beams are produced by the short high power ignition laser interacting with long scale length plasmas. Here we present results from a one-dimensional Vlasov–Poisson code used to investigate different electron beam temperatures and background plasma conditions. The simulations demonstrate that the beam–plasma instabilities drive large amplitude electrostatic waves that undergo the parametric decay instability driving backwards propagating electrostatic waves and much lower frequency ion acoustic waves. Saturation of the beam–plasma instability creates a plateau in the electron distribution function consistent with quasi-linear theory. We observe the creation of high energy tails in the electron and ion distribution functions, formed by the trapping of particles in the waves formed during the collapse of the beam. The high energy tails of the ion distribution are found to account for up to one-half of the energy gained by the ion population from the beam collapse. Furthermore, at the highest electron beam temperatures we observe the formation of long-lived coherent phase–space structures. These phase–space structures are a direct consequence of the cascade nature of the parametric instability driving up lower wavenumber modes that have higher phase velocities that can in turn accelerate electrons to energies in excess of the initial beam energy. A quasi-linear treatment also shows similar effects but the simulations are clearly beyond a simple quasi-linear treatment and demonstrate the transfer of energy from an incident beam to the ion population via collisionless effects. The implications of these mechanisms for the fast ignition scheme will be discussed.
無衝突電子ビーム・プラズマ不安定性は、高速点火において重要な役割を果たすと予想されている。このようなビームは、短パルス高パワー点火レーザーが長スケール長プラズマと相互作用することによって生成される。ここでは、異なる電子ビーム温度および背景プラズマ条件を調べるために用いた一次元ヴラソフ・ポアソンコードによる結果を示す。シミュレーションは、ビーム・プラズマ不安定性が大振幅の静電波を駆動し、それがパラメトリック崩壊不安定性を経て、後方伝播する静電波とはるかに低周波のイオン音波へと崩壊することを実証する。ビーム・プラズマ不安定性の飽和は、準線形理論と一致する電子分布関数のプラトー化を生じさせる。また、電子およびイオンの分布関数における高エネルギー尾部の生成が観測され、これはビームの崩壊中に形成される波による粒子の捕捉に起因する。イオン分布関数の高エネルギー尾部は、ビームの崩壊からイオン集団が獲得するエネルギーの最大半分を占めることが見出された。さらに、最も高い電子ビーム温度においては、長寿命のコヒーレントな位相空間構造の形成が観測される。これらの位相空間構造は、パラメトリック崩壊不安定性のカスケードの直接的な結果であり、より高い位相速度を持つ低波数モードを駆動し、それによって初期ビームエネルギーを超えるエネルギーまで電子を加速し得る。準線形理論も同様の効果を示すが、シミュレーションは単純な準線形描像を明確に超えており、入射ビームからイオン集団へのエネルギー移動を実証している。これらのメカニズムの高速点火への影響について議論する。