[論文レビュー] Collisionless damping of electron waves in non-Maxwellian plasma

В. Н. Сошников|ArXiv.org|Aug 6, 2007

Magnetic confinement fusion research参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、非マクスウェル分布を示す衝突なきプラズマにおける電子波の衝突なき減衰を、縦波および横波の分散方程式の正確解を用いて分析することで、伝統的なランダウ減衰理論に挑戦している。非マクスウェル分布、特にデルタ関数型および尾部修飾型の電子エネルギー関数を含む場合でさえ、減衰と非減衰の波動解が共存することを示しており、非マクスウェル分布では常に減衰が抑制されるという仮定に反する。

ABSTRACT

In this paper we have criticized the so-called Landau damping theory. We have analyzed solutions of the standard dispersion equations for longitudinal (electric) and transversal (electromagnetic and electron) waves in half-infinite slab of the uniform collisionless plasmas with non-Maxwellian and Maxwellian-like electron energy distribution functions. One considered the most typical cases of both the delta-function type distribution function (the plasma stream with monochromatic electrons) and distribution functions, different from Maxwellian ones as with a surplus as well as with a shortage in the Maxwellian distribution function tail. It is shown that there are present for the considered cases both collisionless damping and also non-damping electron waves even in the case of non-Maxwellian distribution function.

研究の動機と目的

• 非マクスウェル型電子エネルギー分布関数におけるランダウ減衰の有効性を再検討すること。
• 半無限衝突なきプラズマにおける縦波および横波の分散関係を分析すること。
• デルタ関数型および非マクスウェル型尾部分布を持つ電子集団を有するプラズマにおける波動挙動を調査すること。
• 衝突なき減衰が非マクスウェル型プラズマでは本質的に存在しないのでは、という仮定が妥当かどうかを明確にすること。
• マクスウェル分布プラズマ・ストリームにおける波の減衰に関する以前の分析を是正・精錬すること。

提案手法

• 半無限プラズマ・スラブにおける電子波の標準的線形化ヴィラソフ＝ポアソン方程式を解くこと。
• 縦波（電場）および横波（電磁および電子）の両方の分散方程式の正確な解析解を用いること。
• 電子分布関数としてデルタ関数型（単色ストリーム）および尾部領域に過剰または不足を示す非マクスウェル型を考慮すること。
• 半無限プラズマに適した境界条件を適用し、波動の伝播特性を特定すること。
• 分布関数の形状の影響を分離するために、非マクスウェル型とマクスウェル型の分布を比較すること。
• マクスウェル分布プラズマ・ストリームにおける波動伝播の以前の誤解を是正すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非マクスウェル型プラズマ、特に非熱的尾部を有する場合でも、衝突なき減衰は継続するのか？
• RQ2 電子分布関数がマクスウェル型から逸脱しても、電子波に対して非減衰解が存在しうるのか？
• RQ3 単色電子ストリーム（デルタ関数分布）を有するプラズマでは、波動分散関係はどのように変化するのか？
• RQ4 分布関数の尾部構造（過剰または不足）が、電子波の減衰または伝播に果たす役割は何か？
• RQ5 非マクスウェル型プラズマにおいて、ランダウ減衰理論の標準的仮定が無効化されるのか？

主な発見

• デルタ関数型および尾部修飾型を含む非マクスウェル型電子分布関数は、衝突なき減衰と非減衰波動解の両方を支持する。
• 単色電子ストリーム（デルタ関数分布）の場合ですら、波動の減衰が発生しうることを示しており、このようなプラズマは本質的に非減衰的であるという考えに反する。
• マクスウェル分布の高エネルギー尾部に過剰または不足があるプラズマでも、依然として減衰が可能であるため、非マクスウェル的特徴が減衰を完全に排除するわけではない。
• 解析により、減衰はマクスウェル分布の存在にのみ依存するのではなく、分布関数の詳細な形と波動モードに依存することが明らかになった。
• マクスウェル分布プラズマ・ストリームにおける波動伝播の以前の誤解を是正し、このような系における減衰の理解を精錬した。
• 結果として、ランダウ減衰はマクスウェルプラズマに限定されるのではなく、より広範な非マクスウェル分布のクラスでも発生しうることが示唆された。