[論文レビュー] Collision induced amplification of wakes in streaming plasmas

Sita Sundar, H. Kählert+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2017

Dust and Plasma Wave Phenomena参考文献 35被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、3次元粒子-場（PIC）シミュレーションを用いて、流れ込むプラズマ中の帯電ダスト粒子の周囲におけるウェーク場形成を、電荷交換衝突によって生じるマクスウェル型でないイオン分布と比較して調査した。一般的な予想とは異なり、非マクスウェル型分布では、衝突に起因するウェークポテンシャルの増幅が観測された。特に高マッハ数においては、衝突性が高まることで、イオンの蓄積ダイナミクスの差異が生じ、最初の引力ピークの振幅が増大する。

ABSTRACT

This work examines the formation of wake fields caused by ions streaming around a charged dust particle, using three-dimensional particle-in-cell (PIC) simulations with charge-neutral collisions included. The influence of an external driving electric field, which leads to a non-Maxwellian distribution of ions, is investigated in detail. The wake features formed for non-Maxwellian ions exhibit significant deviations from those observed within the model of a shifted Maxwellian distribution. The dependence of the peak amplitude and position of the wake potential upon the degree of collisionality is analyzed for a wide range of streaming velocities (Mach numbers). In contrast to a shifted Maxwellian distribution of ions, the drift-driven non-Maxwellian distribution exhibits an increase of the wake amplitude of the first attractive peak with increase in collisionality for high streaming velocities. At very low Mach numbers, collision-induced amplification is observed for Maxwellian as well as non-Maxwellian distributions.

研究の動機と目的

• 電荷交換衝突および外部電場によって生じる非マクスウェル型イオン分布が、流れ込むプラズマにおけるウェークポテンシャル形成に与える影響を調査すること。
• 低温プラズマのシース領域における現実的なイオンダイナミクスを捉えることが困難なシフトドマクスウェルモデルの限界を解消すること。
• 衝突性およびマッハ数が、マクスウェル型および非マクスウェル型イオン分布の両方においてウェークポテンシャルの振幅およびピーク位置に与える影響を体系的に分析すること。
• 衝突が常にウェーク場を減衰させるという一般的な仮定に疑問を呈し、特定の条件下で衝突がウェーク効果を増幅する条件を同定すること。

提案手法

• 点状の帯電ダスト粒子の周囲における静電ポテンシャルおよびイオン密度をモデル化するため、COPTICコードを用いた3次元粒子-場（PIC）シミュレーション。
• イオン-中性子衝突を考慮し、イオン-中性子電荷交換のモンテカルロシミュレーションから導出されたドリフト駆動型非マクスウェル型イオン分布関数を組み込む。
• マッハ数（M）および衝突周波数（ν）の広い範囲において、シフトドマクスウェル型と非マクスウェル型分布の両方におけるウェークポテンシャルおよびイオン密度プロファイルを比較。
• 線形応答形式をベンチマークとして用いるが、近接粒子のダイナミクスを捉えるために、完全なPICシミュレーションによる非線形効果に焦点を当てる。
• マッハ数および衝突性の関数としてのウェークポテンシャルのピーク振幅および位置の分析。
• 遮蔽および粒子の後方におけるウェーク構造を可視化するため、イオン密度等高線の空間的・統計的特徴化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部電場および電荷交換衝突によって駆動される非マクスウェル型イオン分布は、標準的なシフトドマクスウェルモデルと比較して、ウェークポテンシャルの構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 衝突性を増加させると、ウェーク場の振幅は常に抑制されるのか、それとも特定の条件下で増幅が生じるのか？
• RQ3 マッハ数がマクスウェル型および非マクスウェル型イオン分布の両方において、ウェークポテンシャルのピーク振幅および位置に与える依存性は何か？
• RQ4 非マクスウェル型分布では、なぜ最初の引力ピークが衝突に起因して増幅されるのに対し、マクスウェル型分布では高マッハ数で減衰するのか？
• RQ5 遮蔽および粒子の後方におけるイオン蓄積の観点から、両分布間のイオン密度プロファイルにどのような差が生じるか？

主な発見

• 非マクスウェル型イオン分布では、高マッハ数において衝突性が高まるにつれて、最初の引力ウェークピークの振幅が増大し、一般的な衝突減衰の予想とは逆転する。
• 低マッハ数（M ≤ 0.3）では、マクスウェル型および非マクスウェル型両分布で衝突誘発的増幅が観測されるが、非マクスウェル型のほうが顕著である。
• 両分布ともに、ウェークポテンシャルのピーク振幅はマッハ数に対して非単調な依存性を示し、中程度の速度で最大値を示す。
• イオン密度プロファイルの分析から、非マクスウェル型分布では衝突性が高まるにつれて粒子の後方におけるイオン蓄積が強化されるのに対し、マクスウェル型ではバッチングが減少する。
• 非マクスウェル型の場合は遅いイオンによる遮蔽が顕著であるが、シフトドマクスウェルモデルではその現象が観測されないため、これにより異なるウェーク形状が生じる。
• 非マクスウェル型イオンではウェークポテンシャルに単一の顕著な最大値が存在するが、マクスウェル型イオンでは複数の極小値および極大値が生じるため、根本的に異なるイオン応答メカニズムが示唆される。