[논문 리뷰] Beam-plasma system and its X-ray directivity

M. Karlický, J. Kašparová|ArXiv.org|2009. 09. 01.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics참고 문헌 21인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 태양 플레어에서 전자 비드-플라즈마 상호작용과 복귀 전류를 3차원 전자기 입자-세포(PI-Cell) 시뮬레이션을 사용하여 모델링하며, 비충돌성 불안정성—특히 Weibel 불안정성—이 전자 분포 함수를 넓히고 X선 비추도를 감소시킴을 보여준다. 주요 결과는 X선 복사가 단순 모델보다 훨씬 덜 비추도가 되며, 자기장에 의존하는 전자 이방성 억제로 인해 등방성에 가까워진다는 것이다.

ABSTRACT

An evolution of the electron distribution function in the beam-plasma system with the return current is computed numerically for different parameters. The X-ray bremsstrahlung corresponding to such an electron distribution is calculated and the directivity of the X-ray emission is studied. For computations of the electron distribution functions we used a 3-D particle-in-cell electromagnetic code. The directivity of the X-ray emission was calculated using the angle-dependent electron-ion bremsstrahlung cross-section. It was found that the resulting electron distribution function depends on the magnetic field assumed along the electron beam propagation direction. For small magnetic fields the electron distribution function becomes broad in the direction perpendicular to the beam propagation due to the Weibel instability and the return current is formed by the electrons in a broad and shifted bulk of the distribution. On the other hand, for stronger magnetic fields the distribution is more extended in the beam-propagation direction and the return current is formed by the electrons in the extended distribution tail. In all cases, the anisotropy of the electron distribution decreases rapidly due to fast collisionless processes. However, the magnetic field reduces this anisotropy decrease. The X-ray directivity shows the same trend and it is always closer to the isotropic case than that in a simple beaming model.

연구 동기 및 목표

• 단순한 비추도 모델이 예측하는 높은 X선 비추도와 태양 플레어 관측 데이터에서 관측된 낮은 비추도 사이의 괴리를 해결하기 위해, 복귀 전류와 전자기 불안정성이 비드-플라즈마 시스템 내 전자 분포 함수에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 자기장이 전자 분포 이방성과 X선 복사 패턴을 어떻게 형성하는지 규명하는 것.
• Weibel, 두 개의 흐름 불안정성 등 비충돌 과정이 전자 분포의 등방성화와 X선 복사에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 자기장과 자기적으로 자발적으로 생성된 전자기장을 고려한 3차원 상대론적 전자기 입자-세포(PIC) 코드를 사용하여 전자 비드-플라즈마 상호작용을 시뮬레이션하였다.
• 계산 비용을 줄이기 위해 핵자-전자 질량 비율을 16으로 설정하면서도 핵심 플라즈마 역학을 유지하였다.
• 자기장 강도(ωce/ωpe = 0.0에서 1.3)와 비드 속도(vb/c = 0.333–0.666)를 변화시켜 전자 분포 함수를 계산하였다.
• 진동각에 따라 달라지는 전자-이온 브레머슈탈링 단면적을 적용하여 진화한 전자 분포로부터 X선 복사 비추도를 계산하였다.
• 비드 방향에 대한 평행 및 수직 성분의 운동 에너지 이방성의 변화를 추적하여 등방성화 정도를 정량화하였다.
• Kontar & Brown(2006)의 관측 제약 조건, 특히 Fd(E)/Fu(E) 비율과 시뮬레이션된 X선 비추도를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 자기장 조건에서 복귀 전류 존재 시 전자 분포 함수는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 Weibel 불안정성이 비드 방향에 수직으로 전자 분포를 넓히는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 두 개의 흐름 불안정성 및 필라멘테이션 불안정성과 같은 비충돌 과정이 전자 분포의 이방성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 자기장은 전자 분포의 등방성화와 X선 복사에 얼마나 강하게 억제 작용하는가?
• RQ5 계산된 X선 비추도는 관측 결과와 단순 비추도 모델과 비교하여 어떻게 다른가?

주요 결과

• 낮은 자기장 조건(ωce/ωpe ≤ 0.5)에서는 Weibel 불안정성이 전자 분포의 수직 방향으로 강하게 넓어지게 하며, 복귀 전류는 넓고 이동한 전자 군집에 의해 운반된다.
• 높은 자기장 조건(ωce/ωpe ≥ 1.0)에서는 분포가 주로 비드 방향으로 연장되며, 복귀 전류는 분포의 연장된 尾(테일)에서 형성된다.
• 비충돌 과정으로 인해 전자 분포의 이방성이 급격히 감소하지만, 강한 자기장에서는 이 감소가 억제된다.
• 항상 단순 비추도 모델보다 X선 비추도가 등방성에 더 가까워지며, 비추도 감소 정도는 자기장 강도에 따라 달라진다.
• 시뮬레이션된 X선 비추도 수준은 Kontar & Brown(2006)의 관측 제약 조건과 약 50 keV 이하에서는 일치하지만, 고에너지 영역에서는 비추도를 과도하게 예측한다.
• 결과적으로 비충돌 과정이 충돌 과정보다 더 짧은 시간 스케일 내에 등방성화를 일으킬 수 있으며, 이는 X선 비추도에 있어 그들의 핵심적 역할을 시사한다.