[論文レビュー] Inefficient magnetic-field amplification in supersonic laser-plasma turbulence

A. F. A. Bott, L. Chen+18 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2020

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 1被引用数 0

ひとこと要約

本研究は、LMJ-PETAL施設において、磁化済みで超音速のプラズマ乱流を実験室で初めて実現した。磁場増幅に有利な条件が整っていたが、実験では中程度の磁場増幅と顕著な小スケール磁場エネルギーの欠如が観測され、中程度の超音速、低磁気プレッセル数の乱流では、初期磁場レベルを超えて磁場を増幅する効率が著しく低いことが示された。

ABSTRACT

We report a laser-plasma experiment that was carried out at the LMJ-PETAL facility and realized the first magnetized, turbulent, supersonic plasma with a large magnetic Reynolds number ($\mathrm{Rm} \approx 45$) in the laboratory. Initial seed magnetic fields were amplified, but only moderately so, and did not become dynamically significant. A notable absence of magnetic energy at scales smaller than the outer scale of the turbulent cascade was also observed. Our results support the notion that moderately supersonic, low-magnetic-Prandtl-number plasma turbulence is inefficient at amplifying magnetic fields.

研究の動機と目的

• 宇宙環境に類似した条件下で、超音速で乱流するプラズマにおける磁場増幅を実験的に調査すること。
• 低磁気プレッセル数、超音速乱流プラズマにおけるフラクチュエーションダイナモの有効性を特定すること。
• 制御されたレーザー・プラズマ実験から磁気レイノルズ数と乱流マッハ数を測定すること。
• 超音速領域におけるダイナモ増幅の理論的予測と実験結果を比較すること。
• RmとPmといった主要な次元なしパラメータを制御された環境で測定することで、シミュレーションと過去の実験との乖離を解明すること。

提案手法

• 非対称グリッドを用いて乱流と初期磁場を誘発する反対方向のレーザー駆動プラズマジェットを生成した。
• 実験は、高エネルギーのレーザー光ビームを用いて超音速プラズマ流れを生成するためのレーザー・メガジュール（LMJ）施設で実施された。
• 磁場増幅は、プロトンレントゲン撮影を用いて磁場強度と空間的構造を測定することで診断された。
• 磁気レイノルズ数（Rm ≈ 45）と乱流マッハ数（Maturb ≈ 1）は、実験データとFLASH MHD シミュレーションから推定された。
• OMEGA、NIF、Vulcan施設での過去の実験データを比較分析することで、RmとPmの役割を分離した。
• シミュレーションを用いて乱流マッハ数の妥当性を検証し、音速や速度分散などのプラズマパラメータを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実験的条件下で、超音速で低磁気プレッセル数の乱流プラズマにおいて、磁場増幅は効率的に起こるのか？
• RQ2 乱流マッハ数が超音速領域におけるダイナモ増幅を抑制する役割を果たすとはどういう意味か？
• RQ3 Rmがより高いにもかかわらず、LMJ実験ではOMEGAおよびNIF実験よりも磁場増幅が顕著でないのはなぜか？
• RQ4 超音速乱流プラズマにおいて、小スケール磁場はどの程度発達するのか？理論的予測と比べてどうか？
• RQ5 Rmが臨界閾値を超えていても、Pm ≪ 1 かつ Maturb ≈ 1 の条件下では、フラクチュエーションダイナモが効果的に機能するのか？

主な発見

• 磁気レイノルズ数が約45に達したことが確認され、磁場拡散時間スケールが顕著な磁化済み乱流プラズマが存在することが示された。
• 磁場増幅は観測されたが、中程度にとどまり、運動エネルギーと等価なエネルギーに達するまでの飽和の兆候は認められなかった。
• 外乱流スケール未満のスケールでは顕著な磁場エネルギーが検出されず、小スケールダイナモ作用が抑制されていることが示された。
• 乱流マッハ数は約1であったことが判明し、圧縮性運動と衝撃散逸が効率的な磁場増幅を妨げる可能性があることが示唆された。
• 過去の実験よりも高いRmであったにもかかわらず、LMJの結果ではOMEGAおよびNIF実験よりも磁場増幅が顕著でなかったことから、マッハ数とPmがダイナモを抑制する主要因であることが示された。
• 理論的予測と一致し、中程度の超音速、低Pmプラズマでは、Rmが臨界閾値を超えていてもフラクチュエーションダイナモは非効率であることが支持された。