[论文解读] Beam-plasma system and its X-ray directivity

M. Karlický, J. Kašparová|ArXiv.org|Sep 1, 2009

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 21被引用 4

一句话总结

本研究利用三维电磁粒子-网格（PIC）模拟，对太阳耀斑中电子束-离子浆相互作用及回流电流进行建模，结果表明，非碰撞不稳定性（尤其是Weibel不稳定性）可展宽电子分布函数并降低X射线的直接性。关键结果为，由于磁场依赖的电子各向异性抑制，X射线辐射显著低于简单模型中的束状辐射，其直接性更接近各向同性。

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.

研究动机与目标

• 研究回流电流与电磁不稳定性如何改变与太阳耀斑相关的电子束-等离子体系统中的电子分布函数。
• 解决简单束状辐射模型预测的高X射线直接性与太阳耀斑观测数据中所见低直接性之间的矛盾。
• 确定磁场在塑造电子分布各向异性和X射线辐射模式中的作用。
• 评估非碰撞过程（如Weibel不稳定性、双向流不稳定性）对电子分布各向同性化及X射线辐射的影响。

提出的方法

• 采用三维相对论性电磁粒子-网格（PIC）代码，模拟包含自洽电磁场的电子束-等离子体相互作用。
• 使用质子-电子质量比为16，以降低计算成本，同时保留关键的等离子体动力学特性。
• 在不同磁场强度（ωce/ωpe 从0.0至1.3）和束速度（vb/c = 0.333–0.666）条件下计算电子分布函数。
• 应用与角度相关的电子-离子轫致辐射截面，从演化后的电子分布计算X射线辐射的直接性。
• 追踪电子动能各向异性（沿束流方向与垂直于束流方向）的演化，以量化各向同性化程度。
• 将模拟的X射线直接性与Kontar & Brown（2006）的观测约束进行比较，特别是比值Fd(E)/Fu(E)。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同磁场条件下，回流电流的存在如何改变电子束-等离子体系统中的电子分布函数？
• RQ2 Weibel不稳定性在展宽电子分布函数垂直于束流方向的过程中起何种作用？
• RQ3 如双向流不稳定性与丝状不稳定性等非碰撞过程如何影响电子分布的各向异性？
• RQ4 磁场在多大程度上抑制电子分布及X射线辐射的各向同性化？
• RQ5 计算得到的X射线直接性与观测结果及简单束状模型相比如何？

主要发现

• 在低磁场条件下（ωce/ωpe ≤ 0.5），Weibel不稳定性导致电子分布函数在垂直方向强烈展宽，且回流电流由展宽并发生偏移的电子群体承载。
• 在较高磁场条件下（ωce/ωpe ≥ 1.0），电子分布主要沿束流方向延伸，回流电流则来自分布函数的延长尾部。
• 由于非碰撞过程的作用，电子分布各向异性迅速降低，但该降低过程被更强的磁场所抑制。
• X射线直接性始终比简单束状模型更接近各向同性，且直接性降低的程度取决于磁场强度。
• 模拟的X射线直接性水平在约50 keV以内与Kontar & Brown（2006）的观测约束一致，但在更高能量下存在过预测现象。
• 结果表明，非碰撞过程可在比碰撞过程更短的时间尺度内实现各向同性化，暗示其在X射线直接性中起关键作用。