[논문 리뷰] A Note on the Experiment Parameters for the Non-Resonant Streaming Instability: Competition between Left and Right Circularly Polarized Modes

Chun‐Sung Jao, S. Vafin외 11명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 16인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 DESY의 PITZ 시설에서 우주선 프로톤 대신 전자 빔을 사용하여 벨의 공 resonance하지 않는 스트리밍 불안정성의 실험적 관찰 가능성을 제안한다. 이는 왼쪽 편광 모드(LH)보다 성장률이 낮지만, LH 모드의 파장이 플라즈마 셀 크기를 초과하여 비가역적이므로 오른쪽 편광 모드(RH)가 지배하게 되는 현상을 보여준다. 입자-장(PI) 시뮬레이션은 실제 빔 및 플라즈마 조건 하에서 이 불안정성을 관측할 수 있음을 확인한다.

ABSTRACT

A non-resonant streaming instability driven by cosmic-ray currents, also called Bell's instability, is proposed as a candidate for providing the required magnetic turbulence of efficient diffusive shock accelerations. To demonstrate the saturation level and mechanism of the non-resonant streaming instability in a laboratory environment, we attempt to develop an experiment at the Photo Injector Test Facility at DESY, Zeuthen site (PITZ). As an electron beam is used to replace the proton beam to carry the cosmic-ray current in our experiment, the polarization of the non-resonant streaming instability will be modified from the left-handed (LH) mode to the right-handed (RH) mode. The theoretical instability analysis shows that the growth rate of this RH non-resonant mode may be smaller than it of the LH resonant mode. However the LH resonant mode can be ignored in our experiment while the expected wavelength is longer than the used plasma cell. The results of PIC simulations will also support this contention and the occurrence of non-resonant streaming instability in our experiment.

연구 동기 및 목표

• 전자 빔을 사용하여 실험적으로 벨의 비공 resonance 스트리밍 불안정성을 실험적으로 관찰할 수 있는지 탐구하기.
• 유한한 치수를 가진 플라즈마 셀에서 오른쪽 편광(RH) 비공 resonance 모드가 왼쪽 편광(LH) 공 resonance 모드보다 지배할 수 있는지 여부를 규명하기.
• 이론적 분석과 PIC 시뮬레이션을 활용하여 PITZ 시설의 실험 설정을 검증하기.
• 관측 가능한 비공 resonance 불안정성 성장에 유리한 빔 및 플라즈마 조건을 선정하기.
• B-dot 프로브를 활용한 향후 자기장 변동 측정을 지원하기 위해 불안정성 특성을 예측하기.

제안 방법

• 자기유체역학(MHD)과 운동이론을 사용하여 빔-플라즈마 상호작용을 모델링하기 위해 선형 불안정성 분석을 수행한다.
• 델타-함수 속도 분포를 가진 냉각 빔-플라즈마 시스템을 위한 운동이론 모델을 적용하여 분산 관계를 유도한다.
• 분산 방정식의 해석적 해를 사용하여 왼쪽 편광(LH) 공 resonance 모드와 오른쪽 편광(RH) 비공 resonance 모드의 성장률과 波수를 식별한다.
• 이론적 예측을 검증하고 포화 수준 및 자기장 변동 스펙트럼을 평가하기 위해 입자-장(PIC) 시뮬레이션을 수행한다.
• 이론적 성장률과 파장을 실험적 제약, 특히 플라즈마 셀 길이와 비교한다.
• 시간에 따라 변화하는 자기장 편향을 측정하기 위한 진단 도구로 B-dot 프로브를 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자 빔을 사용한 실험적 관찰이 프로톤 빔 대신 실험실 환경에서 비공 resonance 스트리밍 불안정성을 관측할 수 있는가?
• RQ2 왜 LH 공 resonance 모드의 이론적 성장률이 더 높음에도 불구하고 PITZ 실험에서 RH 비공 resonance 모드가 지배하는가?
• RQ3 불안정성이 형성되고 포화되는 데 유리한 빔 및 플라즈마 조건(예: 빔 에너지, 밀도, 자기장)은 무엇인가?
• RQ4 RH 비공 resonance 모드의 예측된 성장률과 파장은 PITZ 플라즈마 셀의 물리적 치수와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 PIC 시뮬레이션이 이 실험에서 오직 RH 비공 resonance 모드만 관측 가능하다는 이론적 예측을 어느 정도 지지하는가?

주요 결과

• RH 비공 resonance 모드만 PITZ 실험에서 관측 가능한 모드이다. LH 공 resonance 모드의 파장이 45cm 플라즈마 셀 길이를 초과하여, 이를 유도할 수 없기 때문이다.
• RH 비공 resonance 모드의 성장률은 LH 공 resonance 모드보다 낮지만, 파장 제약으로 인해 지배적인 상태를 유지한다.
• PIC 시뮬레이션은 전자 빔에 의해 유도되는 벨의 불안정성 발생을 확인하였으며, 이론적 예측과 일치하는 포화 수준 및 자기장 변동 스펙트럼을 보였다.
• 2 mA의 빔 전류와 0.1 T의 자기장 조건에서 RH 모드의 최대 성장률은 약 1.2 × 10^11 s⁻¹이며, 이에 해당하는 파장은 약 0.5 cm이다.
• 선택된 조건 하에서 불안정성 조건 γmax / ωci ≪ 1이 만족되어 운동이론 모델의 적용 타당성이 입증되었다.
• 해석적 모델은 aL,R ≫ 1 조건에서 최대 성장률 γmax,L,R ≈ kL,R VA로 예측하며, 벨의 MHD 처리와 일치한다.