[論文レビュー] Characterization of Quasi-Keplerian, Differentially Rotating, Free-Boundary Laboratory Plasmas

V. Valenzuela-Villaseca, L. Suttle+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2022

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、Zパインチワイヤアレイからの亀裂流を用いて角運動量を注入することで、自由境界条件のもとで準ケプラーモニクル、異方的回転流を発生させるパルスパワー駆動型実験を実施した。プラズマは最大 $23 \pm 3$ km/s の回転速度に達し、レイリー判別子 $\kappa^2 \propto r^{-2.8 \pm 0.8}$ rad$^2$/s$^2$ を示す準ケプラーモニクル的プロファイルを示しており、流体力学的安定性および衝突性プラズマにおける磁気対流不安定性（MRI）の可能性を裏付けた。

ABSTRACT

We present results from pulsed-power driven differentially rotating plasma experiments designed to simulate physics relevant to astrophysical disks and jets. In these experiments, angular momentum is injected by the ram pressure of the ablation flows from a wire array Z pinch. In contrast to previous liquid metal and plasma experiments, rotation is not driven by boundary forces. Axial pressure gradients launch a rotating plasma jet upwards, which is confined by a combination of ram, thermal, and magnetic pressure of a surrounding plasma halo. The jet has subsonic rotation, with a maximum rotation velocity $23 \pm 3$ km/s. The rotational velocity profile is quasi-Keplerian with a positive Rayleigh discriminant $κ^2 \propto r^{-2.8\pm0.8}$ rad$^2$/s$^2$. The plasma completes $0.5 - 2$ full rotations in the experimental time frame ($\sim 150$ ns).

研究の動機と目的

• 自由境界、異方的回転プラズマを剛性壁による閉じ込めなしに生成できる実験プラットフォームの開発を目的とする。
• 天体的降着円盤に関連する衝突性プラズマにおいて、磁気対流不安定性（MRI）がどのように発生するかの条件を調査することを目的とする。
• 複数の診断手法を用いて、慣性駆動による回転プラズマ列の回転速度プロファイルおよび安定性を特徴付けること。
• 将来、MRI、ダイナモ効果、ジェットのコリメーションを1つの実験系で実現可能にする、実天体的スケーリングを有する。

提案手法

• パルスパワー発生装置がアルミ（8×40 μm）のZパインチワイヤアレイを駆動し、急速なプラズマ拡張によって亀裂流を発生させる。
• 亀裂流は、オフセットリターンポストに由来する径方向成分を有する磁場によって内向きおよび方位方向に誘導され、径方向閉じ込めのための圧力勾配を生じる。
• 軸方向の圧力勾配が、回転する列の両端から回転ジェットを発生させ、自由境界構造を形成する。
• 複数の診断手法を用い、5 ns解像度の光学およびXUV自己放射、干渉計、光学トンプソン散乱を用いて密度、温度、速度プロファイルを決定する。
• 角速度プロファイルはべき乗則 $\Omega \propto r^{\gamma}$ でフィッティングされ、安定性およびMRIの可能性を評価するためのレイリー判別子 $\kappa^2 \propto r^{-3}d(r^4\Omega^2)/dr$ が計算される。
• レーザー走査のインパクトパラメータを変化させ（$b = 0.1$ mm、$0.3$ mm）、速度プロファイル測定の頑健性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 剛性壁による制約なしに、自由境界、異方的回転プラズマが準ケプラーモニクル的プロファイルを示すように実験室で生成可能か？
• RQ2 測定された回転速度プロファイルは何か？ そして、磁気対流不安定性（MRI）の条件を満たしているか？
• RQ3 実験時間スケール（約150 ns）内でのプラズマダイナミクス、特に軸方向ジェット形成と回転の進化はいかなるものか？
• RQ4 亀裂駆動による圧力が、回転プラズマ列の閉じ込めと維持に果たす役割は何か？
• RQ5 このプラットフォームは、差動回転によって初期磁場が線形的に成長し、MRIの発生に至るか？

主な発見

• プラズマは最大 $23 \pm 3$ km/s の回転速度に達し、軸方向ジェットは実験期間中に0.5〜2回の完全な回転を完了した。
• 回転速度プロファイルは準ケプラーモニクル的であり、$\Omega \propto r^{\gamma}$ で $\gamma = -1.4 \pm 0.4$ であり、レイリー判別子 $\kappa^2 \propto r^{-2.8 \pm 0.8}$ rad$^2$/s$^2 > 0$ を示した。
• 正のレイリー判別子は軸対称摂動に対する流体力学的安定性を確認した一方で、差動回転プロファイルはMRI不安定性の条件（$-2 < \gamma < 0$）を満たしている。
• 磁気拡散長および粘性拡散長はそれぞれ $\ell_\eta \sim 70$ μm および $\ell_\nu \sim 0.5$ μm であり、散逸は無視できるほど小さいため、MRI成長時間スケール（$\sim 150 \pm 100$ ns）は軌道周期と同等であった。
• 異なるレーザー走査インパクトパラメータ（$b = 0.1$ mm、$0.3$ mm）においても測定された回転プロファイルは一貫しており、速度プロファイルの信頼性が裏付けられた。
• 本実験は、MRI、ダイナモ効果、ジェットコリメーションを1つの自由境界プラズマ系で実現可能にする道筋を示した。