[論文レビュー] Beam-plasma system and its X-ray directivity

M. Karlický, J. Kašparová|ArXiv.org|Sep 1, 2009

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 21被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、太陽フレアにおける電子ビーム・プラズマ相互作用とリターン電流を3次元電磁粒子-場法（PIC）シミュレーションでモデル化し、衝突なし不安定性（特にウェイベル不安定性）が電子分布関数を広げ、X線の指向性を低下させることを示した。主な結果として、X線放射が単純なモデルよりも著しく非指向的になり、磁場依存の電子異方性抑制のため、ほぼ等方的に近づく。

ABSTRACT

An evolution of the electron distribution function in the beam-plasma system with the return current is computed numerically for different parameters. The X-ray bremsstrahlung corresponding to such an electron distribution is calculated and the directivity of the X-ray emission is studied. For computations of the electron distribution functions we used a 3-D particle-in-cell electromagnetic code. The directivity of the X-ray emission was calculated using the angle-dependent electron-ion bremsstrahlung cross-section. It was found that the resulting electron distribution function depends on the magnetic field assumed along the electron beam propagation direction. For small magnetic fields the electron distribution function becomes broad in the direction perpendicular to the beam propagation due to the Weibel instability and the return current is formed by the electrons in a broad and shifted bulk of the distribution. On the other hand, for stronger magnetic fields the distribution is more extended in the beam-propagation direction and the return current is formed by the electrons in the extended distribution tail. In all cases, the anisotropy of the electron distribution decreases rapidly due to fast collisionless processes. However, the magnetic field reduces this anisotropy decrease. The X-ray directivity shows the same trend and it is always closer to the isotropic case than that in a simple beaming model.

研究の動機と目的

• 太陽フレアに関連するビーム・プラズマ系において、リターン電流および電磁不安定性が電子分布関数に与える影響を調査すること。
• 単純な指向性モデルが予測する高指向性なX線放射と、太陽フレア観測データで観測される低指向性との間の不一致を解消すること。
• 磁場が電子分布異方性およびX線放射パターンに与える役割を特定すること。
• 衝突なし過程（例：ウェイベル、2ストリーム不安定性）が電子分布の等方化およびX線放射に与える影響を評価すること。

提案手法

• 自己自己場を伴う3次元相対論的電磁粒子-場（PIC）コードを用いて、電子ビーム・プラズマ相互作用をシミュレーションした。
• 計算コストを削減しつつも、主要なプラズマ力学を保持するため、陽子-電子質量比を16に設定した。
• 磁場強度（ωce/ωpe = 0.0～1.3）とビーム速度（vb/c = 0.333～0.666）を変化させた条件下で、電子分布関数を計算した。
• 進化した電子分布関数からX線放射の指向性を計算するために、角度依存の電子-イオンブレムストラーラーレーション断面積を適用した。
• キネティックエネルギーの異方性（ビーム方向に対する平行成分と垂直成分）の時間発展を追跡し、等方化度を定量化した。
• Kontar & Brown (2006) の観測制約、特にFd(E)/Fu(E) の比と、シミュレートされたX線指向性を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リターン電流の存在が、磁場強度を変化させたビーム・プラズマ系における電子分布関数にどのように影響するか？
• RQ2 ウェイベル不安定性が、ビーム方向に対して垂直方向に電子分布を広げる役割を果たすメカニズムは何か？
• RQ3 2ストリーム不安定性やフィラメント不安定性などの衝突なし過程が、電子分布の異方性に与える影響は何か？
• RQ4 磁場が、電子分布の等方化およびX線放射の指向性にどの程度抑制的役割を果たすか？
• RQ5 計算されたX線指向性は、観測結果および単純な指向性モデルとどの程度一致するか？

主な発見

• 低磁場領域（ωce/ωpe ≤ 0.5）では、ウェイベル不安定性により電子分布が垂直方向に強く広がり、リターン電流は広がったずれのある電子の塊によって運ばれる。
• 高磁場領域（ωce/ωpe ≥ 1.0）では、分布は主にビーム方向に伸び、リターン電流は分布の延長したテイルから形成される。
• 衝突なし過程による電子分布の異方性の低下は著しいが、磁場が強くなるとその低下が抑制される。
• X線指向性は、常に単純な指向性モデルよりも等方的に近くなり、その程度は磁場強度に依存する。
• シミュレートされたX線指向性は、Kontar & Brown (2006) の観測制約とエネルギーが約50 keVまで一致するが、高エネルギー域では指向性を過剰に予測する。
• 結果から、衝突なし過程が衝突過程よりも短い時間スケールで等方化を生じさせられることを示唆しており、X線指向性においてその重要性が示唆される。