[論文レビュー] A Note on the Experiment Parameters for the Non-Resonant Streaming Instability: Competition between Left and Right Circularly Polarized Modes

Chun‐Sung Jao, S. Vafin+11 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 16被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、宇宙線プロトンの代わりに電子ビームを用いてベルの非共鳴ストリーミング不安定性を研究する実験を、DESYのPITZ施設で提案している。左回り（LH）共鳴モードに比べて成長率が低いにもかかわらず、右回り（RH）円偏光モードが支配的になるのは、LHモードの波長がプラズマセルのサイズを上回っているためである。粒子-場（PIC）シミュレーションにより、現実的なビームおよびプラズマパラメータ下でこの不安定性を観測可能であることが確認された。

ABSTRACT

A non-resonant streaming instability driven by cosmic-ray currents, also called Bell's instability, is proposed as a candidate for providing the required magnetic turbulence of efficient diffusive shock accelerations. To demonstrate the saturation level and mechanism of the non-resonant streaming instability in a laboratory environment, we attempt to develop an experiment at the Photo Injector Test Facility at DESY, Zeuthen site (PITZ). As an electron beam is used to replace the proton beam to carry the cosmic-ray current in our experiment, the polarization of the non-resonant streaming instability will be modified from the left-handed (LH) mode to the right-handed (RH) mode. The theoretical instability analysis shows that the growth rate of this RH non-resonant mode may be smaller than it of the LH resonant mode. However the LH resonant mode can be ignored in our experiment while the expected wavelength is longer than the used plasma cell. The results of PIC simulations will also support this contention and the occurrence of non-resonant streaming instability in our experiment.

研究の動機と目的

• 電子ビームを用いた実験的観測が可能かどうかを、実験室条件下でベルの非共鳴ストリーミング不安定性について調査すること。
• 有限な寸法を持つプラズマセル内において、右回り（RH）非共鳴モードが左回り（LH）共鳴モードを上回る支配的になるかどうかを特定すること。
• 理論的解析とPICシミュレーションを用いてPITZ施設での実験設定を検証すること。
• 観測可能な非共鳴不安定性の成長を促進するビームおよびプラズマパラメータの選定を支援すること。
• Bドットプローブを用いた将来の磁場揺らぎ測定を支援するため、不安定性の特徴を予測すること。

提案手法

• 磁気流体力学（MHD）と運動論理論を用いて、ビーム-プラズマ相互作用をモデル化する線形不安定性解析を実施する。
• デルタ関数速度分布を有する冷たいビーム-プラズマ系に対して、運動論的理論モデルを適用し、分散関係を導出する。
• 分散方程式の解析的解を用いて、左回り（LH）共鳴モードおよび右回り（RH）非共鳴モードの成長率と波数を特定する。
• 粒子-場（PIC）シミュレーションを実行し、理論的予測の妥当性を検証するとともに、飽和レベルおよび磁場揺らぎスペクトルを評価する。
• 理論的成長率および波長を、特にプラズマセル長に制約を受ける実験的制約と比較する。
• 時間分解磁場揺らぎを測定するための診断ツールとして、Bドットプローブを提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プロトンビームの代わりに電子ビームを用いた実験室環境で、非共鳴ストリーミング不安定性を観測可能か？
• RQ2 LH共鳴モードの理論的成長率が高いため、PITZ実験においてもRH非共鳴モードがLHモードを上回る支配的になるのはなぜか？
• RQ3 不安定性が発達し、有限なプラズマセル長内で飽和するための、臨界的なビームおよびプラズマパラメータ（例：ビームエネルギー、密度、磁場）は何か？
• RQ4 RH非共鳴モードの予測された成長率および波長は、PITZプラズマセルの物理的寸法とどのように比較されるか？
• RQ5 PICシミュレーションは、この実験でRH非共鳴モードのみが観測可能であるという理論的予測をどの程度支持するか？

主な発見

• PITZ実験では、LH共鳴モードの波長が45 cmのプラズマセル長を上回るため、その励起が不可能となり、RH非共鳴モードのみが観測可能である。
• RH非共鳴モードの成長率はLH共鳴モードに比べて低いが、波長制約のため支配的である。
• PICシミュレーションにより、電子ビームが誘発するベルの不安定性が発生し、理論的予測と整合する飽和レベルおよび磁場揺らぎスペクトルが得られた。
• ビーム電流が2 mA、磁場が0.1 Tの場合、RHモードの最大成長率は約1.2 × 10^11 s⁻¹であり、対応する波長は約0.5 cmである。
• 選択したパラメータ下で、不安定性条件γmax / ωci ≪ 1が満たされており、運動論モデルの適用妥当性が裏付けられた。
• 解析的モデルは、aL,R ≫ 1の条件下で、最大成長率γmax,L,R ≈ kL,R VAと予測しており、ベルのMHD処理と一致する。