[论文解读] Detailed characterization of a laboratory magnetized supercritical collisionless shock and of the associated proton energization

W. Yao, A. Fazzini+20 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2021

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 61被引用 15

一句话总结

本研究通过高功率激光与强磁场，在受控实验环境中详细实验并基于模拟表征了一种实验室生成的磁化、超临界无碰撞激波。研究证明质子通过激波特冲加速（SSA）机制获得能量，且粒子-网格动力学（PIC）模拟证实该机制在不同离子等离子体与磁场条件下均具有鲁棒性。

ABSTRACT

Collisionless shocks are ubiquitous in the Universe and are held responsible for the production of non-thermal particles and high-energy radiation. In the absence of particle collisions in the system, theoretical works show that the interaction of an expanding plasma with a pre-existing electromagnetic structure (as in our case) is able to induce energy dissipation and allow for shock formation. Shock formation can alternatively take place when two plasmas interact, through microscopic instabilities inducing electromagnetic fields which are able in turn to mediate energy dissipation and shock formation. Using our platform where we couple a fast-expanding plasma induced by high-power lasers (JLF/Titan at LLNL and LULI2000) with high-strength magnetic fields, we have investigated the generation of magnetized collisionless shock and the associated particle energization. We have characterized the shock to be collisionless and super-critical. We report here on measurements of the plasma density, temperature, the electromagnetic field structures, and particle energization in the experiments, under various conditions of ambient plasma and B-field. We have also modeled the formation of the shocks using macroscopic hydrodynamic simulations and the associated particle acceleration using kinetic particle-in-cell simulations. As a companion paper of \citet{yao2020laboratory}, here we show additional results of the experiments and simulations, providing more information to reproduce them and demonstrating the robustness of our interpreted proton energization mechanism to be shock surfing acceleration.

研究动机与目标

• 在受控的实验室环境中实验生成并表征一种磁化、超临界无碰撞激波。
• 研究此类激波中粒子加速机制，特别是质子加速的机制。
• 通过多诊断测量与动力学模拟，验证激波特冲加速（SSA）机制。
• 评估SSA机制在不同背景等离子体与磁场条件下的鲁棒性。
• 提供可重复、高分辨率的数据集，用于天体物理激波模型的基准测试。

提出的方法

• 利用高功率激光装置（LULI2000 和 JLF/Titan）产生离子温度超过 100 eV 的快速膨胀等离子体。
• 施加强预存磁场（高达 ~100 T）以磁化等离子体，并通过磁活塞动力学诱导无碰撞激波。
• 采用多种诊断手段：质子照相用于磁场分布测绘，光学汤姆孙散射用于电子与离子温度及密度测量，电场探针用于电磁结构探测。
• 开展宏观流体动力学模拟以建模激波形成过程，同时进行粒子-网格动力学（PIC）模拟以建模粒子加速机制。
• 改变背景等离子体密度与磁场强度，以探究加速机制的鲁棒性。
• 将实验测量结果与PIC模拟输出进行对比，以验证SSA机制，并排除其他模型（如激波特漂移加速，SDA）的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在实验室中，磁化、超临界无碰撞激波的关键等离子体与电磁参数（密度、温度、B场、E场）是什么？
• RQ2 在该磁化激波环境中，主导质子加速的机制是激波特冲加速（SSA）还是激波特漂移加速（SDA）？
• RQ3 SSA机制在不同背景等离子体与磁场条件下的鲁棒性如何？
• RQ4 动力学PIC模拟在多大程度上能再现观测到的质子能量谱与激波特构？
• RQ5 该实验室激波能否再现天体物理无碰撞激波的关键特征，如非热粒子分布？

主要发现

• 所形成的激波被证实为无碰撞且超临界，磁声马赫数 Mms ≳ 2.7，表明其并非仅由经典耗散维持。
• 质子能量谱显示出延伸至约 ~10 MeV 的非热尾部，与激波特冲加速（SSA）机制一致，而非热或扩散过程。
• 动力学PIC模拟再现了观测到的质子能量分布，显示粒子通过在激波前缘的跨激波电场（E = −v × B）上“冲浪”获得能量。
• 激波宽度远小于质子回旋半径，这是SSA占主导的关键条件，支持SSA解释而非SDA。
• 磁场与电场结构的实验测量结果与PIC模拟预测高度一致，验证了模型的保真度。
• 质子加速机制在不同背景等离子体密度与磁场强度下均表现出鲁棒性，表明SSA机制在该类磁化激波系统中具有普适性。