文摘

二维电磁particle-in-cell模拟进行调查的影响ion-to-electron质量比在温暖的进化电子束等离子不稳定。四个病例被认为是::米_我/米_e= 0(两电子流不稳定);B:米_我/米_e= 1(双等离子体);C:米_我/米_e= 100;和D:米_我/米_e= 1000。结果表明,朗缪尔波的生成电子等离子体频率的基本模式和随后的大幅度孤子动力学不受离子物种。然而,它决定了孤波的衰减过程和二次谐波的电磁波的激励。在前两个情况下,米_我/米_e= 0和1,没有二次谐波发射的迹象,而最强的排放二次谐波存在的最大质量比的情况下,米_我/米_e= 1000。这证实了两步波波耦合的二次谐波的产生电磁波的机制,这就要求离子声波波激发的第一步。此外,所有兴奋波的色散图。

1。介绍

电子束等离子交互是一项基本非线性等离子体过程经常发生在空间环境和实验室等离子体。找到这样一个互动产生电磁波在空间等离子体。Gurnett et al。1]报道的观察高度结构化的朗谬尔波产生的高能电子喷射使用宽带从太阳耀斑等离子体波在伽利略航天器测量。Stasiewicz et al。2]分析了完整的光谱波(0 - 4 MHz)和电子分布在调制波朗缪尔Freja观察到的事件在上部极地电离层。强烈的高频静电波在地面前震通常有两个单色波的叠加形式接近等离子体频率。Soucek et al。3]建议的解释这些光谱特征的非线性衰减波朗缪尔electron-sound和ion-sound二次波。Geotail波形观察的结果在静电等离子体波的频率接近当地的电子等离子体频率提出了尾叶的小岛et al。4]。还有一些其他的研究,讨论了束等离子交互的其他方面,如梁加热和朗缪尔电场波形的特点(5- - - - - -7]。太阳能类型II和III型无线电脉冲也归因于电子束等离子不稳定(8,9]。

到目前为止,大量的分析(拟线性/弱湍流),simulational (PIC /弗拉索夫),实验和观察性研究已经调查这个问题的各个方面,如弱/强平衡磁场的影响,相对论/热/冷光束和非均匀背景/调制密度。

易et al。10)提出了一个比较研究的动态电子束等离子系统在两个空间维度通过particle-in-cell (PIC)模拟和拟线性理论,并发现拟线性理论相当充分占最重要的特性与仿真结果相关联。在另一个理论研究,Baumgartel [11)描述了一个简单的线性方法朗缪尔波的振幅调制现象在弱束等离子互动,发现产生的波形在时间表示非常类似于观察到的宇宙飞船。Gurnett et al。12]提出的观测参数衰变和空间崩溃的朗谬尔波由电子束涌入太阳风从威风凛凛的弓形激波。高分辨率频率时间旅行者1号和旅行者2号的谱图显示,长波长朗缪尔波上游的弓形激波是非常有效地转化为短波的朗缪尔不再共振梁。

作为一个重要的观察研究,在13),高度结构化的朗谬尔波,也被称为电子等离子体振荡,已观察到金星使用等离子体波实验的前震的伽利略飞船在重力帮助飞越2月10日1990年。此外,繁华思et al。14,15),使用弗拉索夫模拟,讨论了朗缪尔波的振幅调制和包形成的线性色散理论电子束与等离子体相互作用。

此外,计算机实验静电Geotail孤波(ESWs)观察到的磁尾进行调查(16]。ESWs对应于宽带静电噪音,他们通过两电子兴奋流的不稳定以及静态磁场。在这项研究中,通过bump-on-tail ESW形成不稳定的必要条件是派生的理论上,Geotail观测结果及其意义进行了讨论。

另外,Muschietti等人和普里切特和道森17,18]在行星形成的波包讨论前震和电磁辐射束等离子不稳定,分别。

束等离子交互的最重要的后果是激发和发射不同频率的电磁波。事实上,电磁波的发射发生在当地电子等离子体频率的整数倍nω_体育与ω_体育= (n₀e²/米_eε₀)^1/2。确切的机制的生成二次谐波(n= 2)还在调查中,但最可能的和讨论被认为是一个两步的过程(19,20.):首先,背散射朗缪尔波的激发伴随着离子声波的波通过一个参数大幅度朗缪尔波的衰减;第二,激发2ω_体育波波耦合后的电磁波向前和向后传播朗缪尔波。

因此,等离子体的离子成分的作用是重要的关于二次谐波的产生。预计长寿孤子形成的衰变振幅调制的朗谬尔波ion-related波影响,特别是离子声波波。这个参数对二次谐波发生衰变是必要的。衰变模式及其持续时间的特殊利益团体。

因此,调查的发展感兴趣的电子束等离子不稳定的离子物种和看ion-to-electron质量比的影响,米_我/米_e。的身体沉重的离子,离子声波的波的激发将确实发生在很晚的时间的几千倍ω_体育。人们认为发射的二次谐波的强度取决于ion-to-electron以来质量比强离子声波波朗缪尔的有效反向散射波。由于计算成本的限制,大多数有关simulational研究已经考虑离子质物质值。以后,在我们的研究中,主要目的是看质量比的影响,我们已经考虑了四种情况下:一个:米_我/米_e= 0(两电子流不稳定);B:米_我/米_e= 1(正负电子流不稳定,对等离子体);C:米_我/米_e= 100;和D:米_我/米_e= 1000。的情况下(没有离子组件)使我们能够比较正确的结果。下面结果验证,即使这些物质质量比率可以澄清质量比的影响在某些方面的进化束等离子不稳定。

大多数电子束等离子交互磁场研究假设一个平衡在一个特定的方向。然而,我们省略了平衡磁场的主要目的是为了更好地理解离子成分的作用对二次谐波的生成和验证理论的两步过程机制提出了电磁发射的二次谐波。由于离子在较强磁场磁化与电子相比,我们的结果可能是适用于弱磁场的情况下。

执行这项研究中,我们使用2 d电磁particle-in-cell模拟。缺乏强有力的平衡的磁场,一维近似的束等离子交互不是满意的,和至少2 d模拟妥善解决不稳定是必要的。本文结构如下:第二部分描述模型和仿真设置,而第三部分中给出的结果和讨论,随后简要概述。

2。仿真设置

二维(2 d3v)电磁particle-in-cell模拟使用进行时代(可扩展的照片开放协作)代码,华威大学的发展。它是一个通用的图片代码建模动态等离子体在一个,两个,三个空间维度。全套的麦克斯韦方程和带电粒子的运动方程自洽的方式解决与标准,蛙跳算法,计算电流密度和电荷守恒方法求解连续性方程。

模拟盒子的大小xy飞机Lx=Ly= 538λ_D,网格数量Nx=纽约= 800,所以Δ网格大小x=Δy= 0.67λ_D,在哪里λ_D= (ε₀K_BT_e/n₀e²)^1/2是电子的德拜长度。时间步长和ΔCFL条件决定的t= 1.5×10⁻¹¹= 2.7×10⁻³ω_体育⁻¹,这是足够小波系统中兴奋的精确检测。

三种物种构成系统:(1)背景等离子体电子与物理质量米_e麦克斯韦的温度T_e= 20 eV对应电子热速度V_{th e}= 2.65×10⁶m / s,最初统一的数密度n₀= 10¹³米⁻³;(2)等离子体离子与质量,米_我=α米_e,在那里α是0,1,100,1000。离子温度T_我= 5 eV = 0.25T_e,其数密度是一样的电子数密度n₀。注意,在的情况下米_我/米_e= 1,我们集T_我=T_e建立一个平衡态;(3)梁电子与质量米_e。麦克斯韦梁温度T_b=T_e,绝对的光束沿着的漂移速度y方向是V_d、bC = 22.6 = 0.2V_{th e}与梁数密度n_b= 0.01n₀。为了保持最初的无电流条件下,背景电子的漂移速度V_d、e=n_bV_d、b/ (n₀−n_b)。此外,宏观粒子的数量是150每网格的物种。由于计算的局限性,不可能运行模拟与更大的粒子数,甚至比采用质量比例更大。等离子体最初不受任何外部强加的磁场或电场。最后,字段和粒子,周期性边界条件施加在x- - -y的方向。

3所示。结果与讨论

现在,我们现在和讨论ion-to-electron质量比的影响(米_我/米_e)电子beam-driven等离子体不稳定局势的演变。正如上面提到的,四个病例被认为是::米_我/米_e= 0;B:米_我/米_e= 1;C:米_我/米_e= 100;和D:米_我/米_e= 1000。

所提供的自由能的动能温暖的光束触发等离子体的不稳定,因此,它的能量减少,从图1。所有能量都归一化初始等离子体电子的动能, 与 每个电子的平均动能的位置 。早期的时间背景电荷分离是完全由电子(特别是在重离子的情况下),因此,电场产生的振幅按指数规律增长的拟线性政权。换句话说,静电朗缪尔波是兴奋传播主要沿着光束漂移速度与相速度大于电子的热速度。图2情节的莎莉组件的电场xy飞机,例如,使用米_我/米_e有时= 1000ω_体育t= 40(拟线性阶段)ω_体育t= 85(饱和阶段),规范化 。看到,非均匀偶极电结构是在开发的x- - -y的方向。的莎莉在40 <振幅增加30倍ω_体育t< 85年。根据图2,拟线性扰动的波长y方向在ω_体育t∼40岁λ/λ_D∼150这是在良好的协议,与理论预测的11]λ/λ_D∼2πV_d、b/V_{th e}∼2π×6×10⁷/ 2.65×10⁶= 142。这几乎是增长最快的波长模式。使用电能的时空变化,发现拟线性的增长机制γ0.14∼ω_体育预测的理论。随着时间的推移,发展不稳定,小波数(较大的波长)。随着这些电子结构的发展,大多数束电子的低能人口被困在电势结构非线性波粒相互作用的过程。这些结构被称为电子孔(或相空间洞)。这些非均匀电结构存在更长的时间尺度,而他们的不均匀性增加两个方向的重要组成部分前女友由于横向电子空穴的不稳定增长。图3演示了时态的变化莎莉在三个不同的地点的情况米_我/米_e= 1000长寿朗缪尔波的形成和传播的数据包(信封或孤波)是显而易见的。

这些信封将朗缪尔波的振幅调制本身可能是梁的非线性引起的捕获电子。他们在一系列的波包的形式。最终,看到的,这些波包衰变按照电能减少。

束电子失去最初的动能,光束的分布函数漂向较低的平均速度和束速度分布趋于平缓到高原(这里没有显示)。根据图1,几乎突然减少梁的能量是观察到ω_体育t∼50所有情况下除了对等离子体的情况下(B:米_我/米_e= 1),这是由于共振条件的满足,兴奋的朗谬尔波的相速度与光束漂移速度。因此,几乎30%的能源转化为等离子体的电气和动能在短时间尺度。自束能量的时间变化在这些早期的准线性的进化是类似病例C (米_我/米_e= 100)和D (米_我/米_e= 1000),因此,离子动力学不发挥任何重要角色在早期我们预期的时间尺度。

从数据看4- - - - - -7的动能减少梁与动能(电子和离子)的增加,电气,,一个小范围,系统中磁能量。可以肯定的能量守恒,总能量不断监控,我们找到了一个常数。

自平衡磁场为零,电场的横向分量不是生成,易之= 0,所有病例。相反,只有横向分量的扰动磁场生成,和Bx=通过= 0。的激励热晕随着前女友和莎莉可以证实电磁波发射的可能性。

所有情况下除外米_我/米_e= 0,电场的振幅增加拟线性ω_体育t∼85。然而,在对等离子体的情况下,相应的饱和发生相对较早ω_体育t∼72。光束能量的减少与压扁的低能束电子的最初麦克斯韦分布。后压扁的互补过程和束动能的显著下降,朗道阻尼的条件是满足系统中,因此,梁之间的强相互作用电子和朗缪尔波。图4表明,电能是最小束动能时最大。随着时间的流逝,凌日进化成非线性政权,断断续续的朗道和逆朗道阻尼过程发生在光束电子和朗缪尔波之间。在这种交互,断断续续的光束能量转换电场和等离子体的动能(逆朗道阻尼),反之亦然(朗道阻尼)。

数据1和4表明,随着ion-to-electron质量比的增加,相对较强的交互,因此,朗缪尔波的电场的振幅比较大。提及到一个有趣的现象是,每个之间的时间间隔两个兰道(或逆朗道阻尼)过程是独立的质量比和跳跃的顺序(捕获),T_b= 2π(米_e/k₀e e₀)^1/2∼1.3×10⁻⁷在哪里k₀= 2π/λ₀= 2π/ 1.78和E₀∼4000 (V / m)。

梁失去了足够的能量,梁之间的交互电子和等离子体波几乎停止,和梁的能量变得几乎不变。图1显示的最终动能光束质量比独立的。值得注意的是,对等离子体的情况下,损失的能量是速度比其他情况下,和最后的能量低于其他情况下。

进一步的不稳定发展,3例米_我/米_e= 1,100年和1000年,电能下降缓慢。电能的模式和速度大幅下降是由ion-to-electron质量比(见图4)。见,更大的能量减少的速度慢米_我/米_e。这意味着潜在的(或电场)结构稳定的长时间尺度米_我/米_e增加。以来的情况米_我/米_e= 0(没有离子组件),没有迹象表明电能减少,同时,梁的能量几乎是常数,可以得出这样的结论:电能减少是不可避免地与离子动力学有关。看着莎莉在这些时间尺度结构表明,结构修改由于调制不稳定性。通过足够的波粒相互作用的弱化,朗缪尔波的幅度足够大时,系统中的离子声波波兴奋与不断增长的幅度。这是等离子体的离子成分的阶段中发挥着重要作用的动态系统。图8介绍了离子密度的时空变化米_我/米_e在三个地方= 1000。重要的离子密度变化的时间尺度对应于电能减少的时间尺度。

此外,作为电能减少,电子和离子的动能增加,最终使饱和(数字6和7)。最后饱和电子动能的价值米_我/米_e= 1000相对比的情况下米_我/米_e= 100。似乎对长寿的破坏莎莉结构完全是由于离子声波的波的激发和增长。图7情节颞离子动能的变化(归一化初始电子动能)表明,动能增加的速度更快米_我/米_e= 100,相比之下米_我/米_e= 1000。为米_我/米_e= 100曲线,能源触发器的首次增长ω_体育t∼60。这一增长主要是由于电场加速的重要增长在早期。图8显示了不同的时空变化的能量归一化中所示的初始总能量和百分比。看到,总能量是守恒的,和梁的减少能量与电子动能的增加,电场能量。衰减阶段后,梁的动能电子和等离子体电子变得几乎相同。此外,磁(粉色曲线)和离子动能(蓝色曲线)的能量几乎是零,总能量的百分之四,分别。

现在让我们讨论基本的生成和二次谐波模式电子束与等离子体的相互作用。数据9- - - - - -11显示了色散图(ω/ω_体育,k_yλ_D),3例使用2 d空间(x,y)和颞快速傅里叶变换(FFT技术)莎莉(x= 4.0,y)。图9展示了一个强烈的朗谬尔波激发的基本频率,ω_体育,因为k_yλ_D在0 < < 0.4ω_体育t< 659年。此外,相对较弱的二次谐波,2ω_体育的朗谬尔波已经在0.1 <兴奋k_yλ_D< 0.4。同时,强烈的离子声波激发波是观察到ω=ω_π= 0.03ω_体育0.1 <k_yλ_D< 0.3。

类似的模式色散图是观察到的情况米_我/米_e通过FFT的= 100莎莉(x= 2.4,y)(0 <ω_体育t< 378.3。

有趣的是,的色散图莎莉(x= 4.0,y),米_我/米_e= 1 (0 <ω_体育t< 534只显示基本模式是兴奋,ω1.4∼ω_体育= 1.4ω_π,在k_yλ_D< 0.1,没有二次谐波发生的迹象。可以得出这样的结论:二次谐波的产生基本上是由重离子的存在引起的,因此,在缺乏离子成分,不能观察到二次谐波。这是确认的事实的主要机制的生成二次谐波是由离子声波波朗缪尔波的散射。

4所示。结论

我们已经进行2 d电磁particle-in-cell模拟调查的影响ion-to-electron质量比在温暖的进化电子束等离子不稳定。四个病例被认为是::米_我/米_e= 0(两电子流不稳定);B:米_我/米_e= 1(双等离子体流不稳定);C:米_我/米_e= 100;和D:米_我/米_e= 1000。演化的动能的梁和电能的这些情况表明,朗缪尔波电子等离子体频率很快感到兴奋。波振幅的增加费用的光束能量衰减,而波数朝着更小的值。换句话说,潜在的结构(或电子空穴),在两个方向不均匀,逐渐相互融合,形成大的。在拟线性阶段,振幅按指数规律增长。结果表明,该并行(对光束方向)削减的莎莉是一个双相结构。随着光束注入几乎所有的自由能进入等离子体,电能变得饱和,大幅度孤子稳定长时间的持续时间。时间持续时间更长米_我/米_e较大,推断IAW需要更多的注入能量的激发。一般来说,各个阶段的不稳定是几乎完全取决于电子物种只要IAW并不兴奋。

随着朗缪尔波孤子的振幅变得足够大,IAW感到兴奋从而影响朗缪尔的有效散射波。因此,二次谐波发生的第一步,向前和向后传播朗缪尔的耦合波能产生二次谐波。通过执行FFT的空间和时间莎莉、色散图显示,在的情况下米_我/米_e二次谐波= 0和1,2ω_体育,不是兴奋。我们得出这样的结论:朗缪尔波没有被有效地反散射。与此相反,在的情况下米_我/米_e= 100和1000年,激发的二次谐波强度最高的是显而易见的米_我/米_e= 1000。因此,我们可以得出这样的结论:重离子的存在导致了朗缪尔的显著的反向散射波虽然很晚。因此,波波耦合的第二步是足够大的二次谐波产生电磁辐射。二次谐波辐射的电磁发射是射电天文学的一个重要问题,特别是在日冕环境。到目前为止,一些不同的理论已经提出了这个辐射的机制中最流行的一个是非线性波波交互朗缪尔和离子声波的波。呈现在我们的研究结果清楚地证实了提出了两步波波耦合机制的生成二次谐波在电子束等离子离子组件的交互通过澄清的作用。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者非常感谢时代代码开发团队进行代码访问的模拟。