Active space experiments involving the controlled injection of electron beams and the formation of artificially generated currents can provide in many cases a calibration of natural phenomena connected with the dynamic interaction of charged particles with fields. They have a long history beginning from the launches of small rockets with electron guns in order to map magnetic fields lines in the Earth's magnetosphere or to excite artificial auroras. Moreover, natural beams of charged particles exist in many space and astrophysical plasmas and were identified in situ by several satellites; a few examples are beams connected with solar bursts, planetary foreshocks or suprathermal fluxes traveling in planetary magnetospheres. Many experimental and theoretical works have been performed in order to interpret or plan space experiments involving beam injection as well as to understand the physics of wave-particle interaction, as wave radiation, beam dynamics and background plasma modification. Recently, theoretical studies of the nonlinear evolution of a thin monoenergetic electron beam injected in a magnetized plasma and interacting with a whistler wave packet have led to new results. The influence of an effective dissipation process connected with whistler wave field leakage out of the beam volume to infinity (that is, effective radiation outside the beam) on the nonlinear evolution of beam electrons distribution in phase space has been studied under conditions relevant to active space experiments and related laboratory modelling. The beam-waves system's evolution reveals the formation of stable nonlinear structures continuously decelerated due to the effective friction imposed by the strongly dissipated waves. The nonlinear interaction between the electron bunches and the wave packet are discussed in terms of dynamic energy exchange, particle trapping, slowing down of the beam, wave dissipation and quasi-linear diffusion.
能動的制御を含む電子ビームの注入と、波動・粒子相互作用の物理学に関する研究は、多くの実験的・理論的取り組みの対象となってきた。磁化プラズマ中を伝搬するホイッスラー波と単一エネルギー電子ビームとの相互作用は、波動成長、粒子捕捉、非線形位相空間構造の形成など、豊かな物理現象を示す。本稿では、磁化プラズマ中に注入された薄い単一エネルギー電子ビームとホイッスラー波パケットとの非線形相互作用を考察する。ビーム・プラズマ不安定性によって励起されたホイッスラー波は、ビーム電子を捕捉し、位相空間において非線形な回転構造を形成する。この捕捉構造の非線形発展は、波動振幅、ビーム速度、磁場強度などのパラメータに依存する。特に、波動振幅が大きい場合、捕捉電子の非線形回転周期は波動の成長時間よりも短くなり、粒子の位相混合が促進される。その結果、ビームの速度分布関数は平坦化され、波動成長は飽和に達する。また、波動と粒子の共鳴条件が時間的に変化する場合、捕捉粒子の断熱的不変量が破れ、粒子の再捕捉や脱捕捉が生じる可能性がある。これらの過程は、波動粒子間のエネルギー交換効率に影響を与え、ビームの緩和過程を特徴づける。さらに、複数のホイッスラー波が同時に励起される場合、波間の非線形結合や粒子の共鳴広がりが生じ、ビームの緩和過程はより複雑になる。これらの理論的解析は、宇宙プラズマにおける高エネルギー粒子の輸送現象や、実験室プラズマにおける波動加熱・電流駆動の理解に重要な示唆を与える。