当前位置:首页 > 业界动态 > 激光加速 > 正文

激光驱动等离子体中磁重联产生的非热能电子激发

发布时间: 2016-06-20 14:01:06   作者:本站编辑   来源: Physical review letters   浏览次数:

  

   

  磁重联是一个基本的等离子体过程,它将磁场能量迅速有效地转换到等离子体流动、加热和潜在的非热能粒子中。它对空间物理、天体物理学和实验室核聚变装置中的磁化等离子体的演变起着至关重要的作用。最近,各个实验室开始用激光驱动高能量密度等离子体来研究磁重联,但是使用激光驱动的等离子体来研究磁重联引起的非热能粒子加速是否可行仍然是个未解之谜。

  本文用PIC粒子模拟研究了在激光驱动等离子体磁重联过程中粒子加速的特征。证明了利用比目前实验条件大一个数量级的热能来检测电子是具有可能性的。电子主要由重联电场加速,一部分电子被捕获到等离子团中并由于等离子团的漂移运动慢慢获得额外的能量。根据实验给出的可调参数,可以估计最大的电子能量和超热激发的阈值条件,这将指导未来激光驱动等离子体中的磁重联所引起的粒子加速的研究。

  1.实验、模拟示意图以及结果

  本文模拟了两个扩散磁化等离子体空泡之间的相互作用,与之前的PIC模拟研究相一致(如图1(b)(c)所示),图1b)和图1c)分别代表了平面外的电流密度和平面外的电场强度。当两个空泡即将相互作用的时候开始模拟,因此没有模型等离子体或磁场初始生成。然而捕捉到了系统最重要的特征,例如有限的尺寸和驱动流,使他们与一些实验设置相关联。

  对在空泡中的所有初始电子积分得到展示的能谱。通过在更大范围进行模拟可以确保边界不影响结果。使用沿着流入方向的周期性边界,并利用反对称性的  系统。大多数的磁重联模拟研究都在重连流出的方向采用了周期性边界,从而可能受到循环粒子和辐射这些非物理效应的影响。研究激光驱动等离子体在有限尺寸系统中的粒子加速,对进一步了解边界条件和逃逸粒子在磁重联模型中的作用有重要的意义。

  本文首先详细分析MS=2MA=4二维模拟。观察到该系统的早期演化与先前使用这个结构的研究结果一致。由于在超阿尔芬速度下等离子体流动带来的磁通,等离子体被碰撞压力压缩并且磁场的振幅以大约1.65的增长因子增加。形成的曲流层与离子惯性长度是一个数量级,在这个长度内电子和离子解耦,并产生由霍尔效应引起的快速重连。然后由于撕裂不稳定性曲流层也变得不稳定,最终观察到单等离子体团的形成,结果符合线性理论。

  在扩散区域典型的重连电场值为E≈0.5V0B0(如图1(c)所示)。根据当地的阿尔芬速度和压缩磁场研究发现当等离子团刚刚开始形成时即在t/td=0.25E≈0.3VAB。在开始重连后,有限大小的等离子体空泡导致重连直接流出相互作用区域。图1(d)显示了模拟中电子能谱随时间的演化。非热能的成分的发展,能量达到约50KBTe,这类似于幂次定律,指数为P≈5.3。这种由于重连产生加速的一个重要实验信号是探测到的低温电子应该呈现扇状的轮廓文件中,同时高能电子的发射方向在重连外流和重连电场的相反方向。

  总之,通过执行激光驱动等离子体中磁重联的从头算动力学模拟,研究表明,这些系统可以加速非热能的电子能量比目前实验室条件可获得的热能大一个数量级。从X点在不同距离下的电子注入和从有限尺寸系统中逃离导致非热能的成分类似于幂次定律谱。因此研究结表明,激光驱动等离子体提供了一个新的平台,可用于重连引起粒子加速的实验研究。这可能使得重连在与天体物理和空间等离子体有关的爆炸现象中体现更重要的作用。

摘译自:Totorica S R, Abel T, Fiuza F. Nonthermal Electron Energization from Magnetic Reconnection in Laser-Driven Plasmas[J]. Physical review letters, 2016, 116(9): 095003.

我来说两句
您尚未登录,请登录后发布评论! 【马上登录
评论列表
已有 0 条评论(查看更多评论)
友情链接
 
电话:021-69918000 传真:021-69918800 Processed in 0.051 second(s)
360网站安全检测平台 Powered by SIOM Copyright © 2014 www.siom.ac.cn, All Rights Reserved pv总量 访客数总量