Conditions of structural transition for collisionless electrostatic shock
本研究通过一维PIC模拟发现无碰撞静电冲击在高密度梯度下转变为双层结构，阈值密度比约为40，并更新模型预测临界马赫数，提出基于加速分数预测冲击速度的半解析方法。
2023-08-08 physics.plasm-ph
A Ritz variational principle for local collisionless gyrokinetic instabilities
本文修正了局部无碰撞回旋动理学本征值问题中数学上不正确的里茨变分原理，推导出适用于一般几何及电磁效应的正确变分形式及适用于数值计算的弱形式。
2025-01-31 physics.plasm-ph
Distinct parallel electrostatic collisionless shocks in hot-cold ablative mixing plasmas
本研究通过一维VPIC模拟和理论分析，揭示了热冷烧蚀混合等离子体中平行静电无碰撞激波的形成机制，发现其主要受温度而非压力控制，并阐明了电子热通量的自由流极限与对流标度特性。
2025-03-31 physics.plasm-ph
Ion acceleration in electrostatic collisionless shock: on the optimal density profile for quasi-monoenergetic beams
对静电冲击波中离子加速问题进行了数值研究，旨在确定激光驱动系统中获得准单能离子束的最佳等离子体结构。最近的研究表明，以长尺度的后密度分布为特征的近临界密度等离子体导致具有低能量扩展的光束[F。Fiúza等人，Physical Review Letters 109，215001（2012）]。在这项工作中，进行了详细的参数扫描调查不同的等离子体尺度长度。因此，最佳的等离子体空间尺度长度，允许最小化的能量扩散，同时确保由冲击的离子的显着的反射被识别。此外，提出了一种新的配置，其中所需的配置文件已获得通过耦合不同密度的微层。结果表明，这种新的工程方法是一种有效的替代方案，保证了较低的能量扩散，具有较高的可控性。
2018-01-08 physics.plasm-ph
Instabilities of collisionless current sheets revisited: the role of anisotropic heating
在这项工作中，我们研究的各向异性加热的影响，对自发不稳定性和薄哈里斯型无碰撞电流片，嵌入在反平行磁场的演变。特别是，我们探索的影响，使用2D版本的PIC代码ACRONYM的宏粒子形状功能。我们还调查的作用，由于在PIC码的有限数量的宏粒子的数值碰撞。它示出，它是适当的，以选择高阶形状函数的宏粒子相比，每个细胞的宏粒子的数量更大。这允许更好地估计各向异性电子加热由于在PIC代码中的宏粒子的碰撞。温度各向异性可以稳定撕裂模不稳定性，并触发额外的电流片不稳定性。我们发现了一个很好的协议之间的分析推导出的各向异性撕裂模式和其他不稳定性，无论是自发发展或最初触发的稳定阈值。在电子时间尺度上引起各向异性加热的数值效应对于更高的质量比（高于$m_i/m_e = 180$）变得特别重要。如果仔细考虑数值效应，可以恢复理论估计的线性增长率的撕裂不稳定性薄各向同性碰撞电流片，也为更高的质量比。
2015-01-24 physics.plasm-ph
Physics of collisionless shocks - theory and simulation
无碰撞冲击发生在物理学的各个领域。在空间和天体物理学的背景下，它们已经被研究了几十年。然而，对冲击波的形成和粒子加速的彻底理解仍然缺失。无碰撞冲击可分为电磁冲击和静电冲击。电磁冲击主要在天体物理环境中起重要作用，它们由韦伯不稳定性或定向不稳定性介导。在这种冲击中，带电粒子通过扩散冲击加速获得能量。静电冲击的特征在于强静电场，这导致电子捕获。离子被静电势的反射加速。冲击波的形成和粒子加速将在理论和模拟中讨论。
2015-09-16 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Comparing the counter-beaming and temperature anisotropy driven aperiodic electron firehose instabilities in collisionless plasma environments
电子消防管不稳定性是研究最多的动力学不稳定性之一，特别是在空间等离子体中，其动力学主要由无碰撞的波粒相互作用控制。本文对由各向异性温度和电子反束布居数激发的非周期电子水龙带不稳定性进行了比较分析。两个对称的反束提供了类似于单个（非漂移）布居的温度各向异性的有效动力学各向异性，其中沿磁场方向的温度大于垂直方向的温度。因此，反束流等离子体容易受到类似消防软管的不稳定性（FIs），平行和倾斜的分支。在这里，我们专注于倾斜的光束FI，这也是非周期性的自由能时，对称的反光束提供。研究结果表明，当漂移或聚束速度（$U$）不超过热速度（$α$）时，在相同的波数区间和相同的倾斜角度范围内（相对于磁场方向），存在非周期性聚束，但反聚束聚束.然而，对于$U/α> 1$，还预测了另一种静电双流不稳定性（ETSI），其增长率可能高于CBFI，并且在这种情况下可能主导动力学。
2022-09-01 physics.plasm-ph
Collisionless Kinetic Theory of Oblique Tearing Instabilities
在Harris平衡下，计算了无碰撞动力学撕裂不稳定性的线性色散关系.与仅考虑电流片中心处的模式的常规2D几何结构相比，模式可以在3D中跨越电流片。每个谐振表面处的模式相对于引导场方向具有唯一的角度（$θ$）。动力学模拟和线性化的麦克斯韦方程组的数值本征模解最近都揭示了标准的解析理论大大高估了斜模（$θ\neq 0$）的增长率。我们发现，这种稳定与密度梯度驱动的抗磁漂移。解析理论忽略了这种漂移稳定性，因为内部撕裂层在斜角处扩展得足够远，以至于边界层理论的内部和外部区域之间的尺度分离的假设被打破。通过数值求解一个单一的二阶微分方程得到的色散关系被发现近似捕获的漂移稳定预测的完整的积分-微分特征值问题的解决方案。一个简单的分析估计的稳定性准则。
2017-12-27 physics.plasm-ph
Identification of electrostatic two-stream instabilities associated with a laser-driven collisionless shock in a multicomponent plasma
静电双流不稳定性在静电无碰撞激波形成中起着重要作用。它们是一种关键的耗散机制，导致离子加热和加速。由于冲击加速离子的数量和能量取决于不稳定性，因此精确识别主动不稳定性是重要的。二维粒子在细胞模拟多组分等离子体揭示离子反射和加速在冲击波前，激发纵向传播的静电不稳定性，由于非振荡分量的静电场在上游地区的冲击，和产生向上和向下移动的速度分量内的扩展离子组件。使用一维静电等离子体色散函数，其中包括电子和离子的温度效应，C2 H3Cl等离子体的不稳定性的线性分析表明，最不稳定的模式是静电离子束双流不稳定性（IBTI），这是弱依赖于电子的存在。IBTI是由膨胀的质子和碳离子群体之间的速度差激发的。有一个静电电子-离子双流不稳定性与一个小得多的增长率与人口的质子在冲击反射。与激光驱动的无碰撞冲击相关联的快速增长的IBTI的激发增加了准单能离子束的亮度。
2021-10-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
A novel kinetic mechanism for the onset of fast magnetic reconnection and plasmoid instabilities in collisionless plasmas
当相反的磁场通过电流片合并和湮灭时，磁重联可以爆炸性地释放磁能，驱动等离子体射流并将非热粒子群加速到高能量，在从空间和天体物理到实验室尺度的等离子体中。通过实验室实验和航天器观测，在证明在狭窄的动力学尺度电流片中如何快速耗散和重联方面取得了重大的实验进展。然而，一个挑战是要证明是什么触发了重新连接，以及它如何作为一个比这些动力学尺度大得多的全球系统的一部分快速有效地进行。在这里，我们显示实验的全面发展的过程中，电流片的形式，然后在离子动力学尺度分解成多个载流结构。结果是一致的撕裂的电流片，但修改碰撞动力学离子效应，这导致更大的增长率和数量的等离子体团比以前的实验中观察到的或相比，从标准的撕裂不稳定性理论和以前的非线性动力学重联模拟的预测。这一效应将增加等离子体团不稳定性在许多自然重联系统中的作用，在触发大范围自然等离子体的快速重联时应加以考虑，这些自然等离子体具有无碰撞、可压缩的流动，包括在地球磁鞘和磁尾以及在日球顶、在吸积盘以及在湍流高马赫数无碰撞激波中。
2021-12-06 physics.plasm-ph
Electrostatic ion-cyclotron instabilities modified by the parallel and perpendicular plasma flow velocity shears
利用分段式无碰撞等离子体源实现了对平行于和垂直于磁场线的等离子体流速剪切的外部独立控制。观察到静电离子回旋不稳定性被垂直流速剪切抑制，发现其抑制物理可分为两个方面。另一方面，平行的流速剪切被证明是不稳定的离子回旋不稳定性取决于在没有场对准的电子漂移流的平行剪切的符号。
2004-10-21 physics.plasm-ph
Resilience of quasi-isodynamic stellarators against trapped-particle instabilities
结果表明，在完美的准等动态仿星器，被困粒子的反弹频率远高于不稳定的频率稳定在静电和碰撞的限制。因此，无碰撞俘获粒子的不稳定性是稳定的，以及普通的电子密度梯度驱动的俘获电子模式。这一结果来自静电不稳定性的能量平衡，因此与磁几何的所有其他细节无关。
2015-09-14 physics.plasm-ph
Isolation and Phase-Space Energization Analysis of the Instabilities in Collisionless Shocks
本研究通过$\texttt{dHybridR}$代码模拟，提出不稳定性隔离方法并结合场-粒子关联技术，分析无碰撞激波中动力学不稳定性的产生及离子增能机制，实现了激波能量学特征的完整表征。
2023-06-14 physics.plasm-ph
Collisionless electrostatic shock formation and ion acceleration in intense laser interactions with near critical density plasmas
本文研究了近临界密度等离子体中激光驱动的无碰撞静电激波的形成及随后的离子加速。粒子模拟结果表明，由于激光在近临界密度等离子体中的快速传播，激光驱动的无碰撞静电冲击的速度和冲击加速的离子的能量都可以大大提高。然而，在近临界密度的等离子体中，冲击波形成之前需要比数十个激光波周期更长的响应时间，与高过密度靶中的快速冲击波形成相反。更重要的是，我们发现，即使在激波上的静电势跃变小于离子在激波系中的动能时，某些离子也可以被无碰撞激波反射，这似乎与传统的离子反射条件相反。这些异常离子反射归因于强时间振荡电场伴随着激光驱动的无碰撞冲击在近临界密度等离子体。
2016-11-21 astro-ph.HE physics.acc-ph physics.plasm-ph
Data-driven discovery of a heat flux closure for electrostatic plasma phenomena
本研究利用稀疏回归方法，从OSIRIS粒子模拟数据中识别出六个关键项，构建了适用于一维静电等离子体现象的热通量闭合模型，为无碰撞流体模拟提供了平衡计算效率与物理保真度的数据驱动解决方案。
2025-03-21 physics.plasm-ph
Self-consistent generation of the ambipolar electric field in collisionless plasmas via multi-mode electrostatics
本文提出一种基于多模傅里叶展开的自洽方法，在重力分层的无碰撞等离子体中生成双极电场并恢复电荷中性，为模拟更真实的恒星大气奠定基础。
2025-09-03 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Kinetic Solitary Electrostatic Structures in Collisionless Plasma: Phase-Space Holes
本文综述无碰撞等离子体中相空间电子/离子空穴的物理机制，对比其与孤子的平衡原理，梳理2016年前领域历史发展并详述此后在空穴加速、稳定性及多维效应上的研究进展。
2024-07-11 physics.geo-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Electrostatic turbulence and Debye-scale structures in collisionless shocks
我们提出了一百多个大振幅双极静电结构的分析，在准垂直超临界地球的弓形激波穿越，测量的磁层多尺度航天器。双极结构的出现与激波过渡区的磁场梯度密切相关。双极结构具有负静电势和几个德拜长度的空间尺度。双极结构传播的速度（在等离子体静止帧）的顺序的离子声速的冲击法线高度倾斜。我们认为双极结构是由入射离子和反射离子之间的双流不稳定性产生的离子相空间空穴。这是第一次确认的离子双流不稳定性在无碰撞冲击。电子加速的影响进行了讨论。
2019-12-04 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Effect of a weak ion collisionality on the dynamics of kinetic electrostatic shocks
在严格无碰撞的静电冲击中，由于离子布居的部分反射，离子分布函数可以沿着相空间分离线发展不连续性。在本文中，我们离开严格的无碰撞制度，并提出了一个半解析模型的弱碰撞动能冲击。该模型被用来研究小，但有限的碰撞对静电冲击的影响，他们被发现平滑这些不连续性到不断增长的边界层。更重要的是，离子扩散到相空间的先前空的区域中并在其中积累，并且通过扰乱电荷平衡，导致静电势的下游振荡不断增长。我们发现，冲击的碰撞年龄是更相关的措施的碰撞效应比碰撞性，前者可以成为显着的冲击的寿命期间，即使是弱碰撞。
2019-02-06 physics.plasm-ph
Collisionless shock formation, spontaneous electromagnetic fluctuations and streaming instabilities
无碰撞冲击在天体物理学和实验室中无处不在。最近的数值模拟和实验表明，它们是如何从两个无碰撞的等离子体壳的相遇中产生的。当壳层相互穿透时，重叠区域变得不稳定，触发了激波的形成。作为对该过程的微观理解的第一步，我们在这里详细分析了初始不稳定阶段。一方面，二维相对论PIC模拟进行两个对称的初始冷对等离子体碰撞。另一方面，分析了工作中的不稳定性，以及饱和场和被放大的种子场。对于温和的相对论运动和向前，韦伯模式支配线性相位。我们推导出的线性相位的持续时间与模拟吻合良好的表达式。这个饱和时间实际上构成了激波形成时间的下限。
2013-04-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Geometrical description of non-linear electrostatic oscillations in relativistic thermal plasmas
我们开发了一种方法，用于调查1粒子分布的形状和非线性静电振荡在无碰撞等离子体中，结合横向热运动之间的关系。一个一般的表达式，找到最大的可持续电场，并评估一个特定的高度各向异性分布。
2008-07-30 physics.plasm-ph
Neutrino-driven electrostatic instabilities in a magnetized plasma
本文考虑了中微子束对Trivelpiece-Gould模的不稳定作用，假设在磁化等离子体中的静电扰动是由电子在中性离子背景中组成的，通过电-弱相互作用产生的有效中微子力耦合到中微子种上.磁场被发现显着提高线性不稳定性增长率，计算超新星II型环境。在形式上，对于波矢平行或垂直于磁场的情况，用适当的Trivelpiece Gould频率代替等离子体频率，从未磁化的情况得到不稳定性增长率。还得到了与斜传播相关的增长率。
2017-12-15 physics.plasm-ph
Electrostatic and magnetic instabilities in the transition layer of a collisionless weakly relativistic pair shock
天体物理喷流的高能电磁辐射，如大质量恒星坍缩时发射的并触发伽马射线暴（GRB）的喷流，部分归因于相对论性内部冲击。激波是由逆流粒子束的不稳定性在无碰撞等离子体中介导的。只有当光束以相对论性的相对速度运动时，才能产生最快的位移不稳定性。在这里，我们用粒子单元（PIC）模拟两个冷对云在c/2（c：光速）速度下的碰撞。我们证明了双流不稳定性超过了这个速度的平行不稳定性，从而负责激波的形成。上游等离子体的准静电波的不完全热化允许其他不稳定性的增长。激波过渡层的形成，其中一个平行不稳定性调制的等离子体远上游的冲击。上游流入的等离子体逐渐加热的双流不稳定性更接近的冲击和压缩到预期的下游密度的韦伯不稳定性。由于后者产生的强磁场被限制在10个电子趋肤深度宽的层内。
2017-09-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Solar wind driven electrostatic instabilities with generalized r,q distribution function
本文采用Boltzmann-Vlasov动力学模型，考虑平顶非麦克斯韦分布的电子和离子，研究了速度幂律能量尾（广义r，q分布），太阳风等离子体流驱动下的无电流静电不稳定性，即离子声不稳定性。不稳定性阈值受到影响，并取决于光谱指数r和q。发现增长率随谱指数的减小而增大。此外，还利用广义r，q分布函数讨论了三组分电子-离子-尘埃等离子体的动力学不稳定性。当太阳风在星际尘埃存在的情况下流过彗星等离子体并激发静电不稳定性时，这种情况是有趣的。在波的相速度大于和小于尘埃粒子的热速度的限制下，分析计算了尘埃声学模式的色散特性和增长率，并绘制了不同值的光谱指数。
2017-11-27 physics.plasm-ph
Collisionless microinstabilities in stellarators I - analytical theory of trapped-particle modes
这是两篇关于仿星器中无碰撞、静电微观不稳定性的论文中的第一篇，重点是捕获粒子模式。据发现，在所谓的最大- $J$配置，捕获粒子不稳定性是缺席的参数空间的大区域。准等动力仿星器具有这种性质（近似），理论预测被捕获的电子稳定在所有频率低于电子反弹频率的本征模。物理原因是，反弹平均曲率对所有轨道都是有利的，并且被捕获的电子在与漂移波传播方向相反的方向上进动，从而排除了波粒共振。这些考虑仅取决于静电能量平衡，并且除了最大$J$条件之外与磁场的所有几何性质无关。然而，如果纵横比是大的和不稳定的相速度大大不同于电子和离子的热速度，它是可能的，以获得一个变分形式的频率显示，稳定性占主导地位的参数空间的一个更大的部分比从能量参数。因此，准等动力仿星器中的无碰撞俘获电子模应该比托卡马克中的更稳定。
2013-11-14 physics.plasm-ph
Lattice Boltzmann model for collisionless electrostatic drift wave turbulence obeying Charney-Hasegawa-Mima dynamics
采用格子玻尔兹曼方法（LBM）求解磁化等离子体绝热漂移波湍流的Charney-Hasegawa-Mima（CHM）模型. CHM-LBM模式包含一个正压状态方程的潜力，包括类似于准地转模式中的科里奥利力的交叉产品的力项，和一个密度梯度源项。膨胀的晶格玻尔兹曼模型方程导致冷离子流体的连续性和动量方程，这类似于CHM动力学下的漂移排序。标准测试用例（传播，稳定漂移模式和衰减湍流）的数值解进行比较，通过传统的有限差分格式，直接离散的CHM方程得到的结果。LB方案类似于特征CHM动力学，除了在密度梯度方向上的附加剪切。产生的剪切随漂移比减小，并归因于下伏LBM的可压缩极限。
2021-09-26 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Firehose and Mirror Instabilities in a Collisionless Shearing Plasma
采用混合动力学方法对无碰撞等离子体中的水龙带不稳定性和镜像不稳定性进行了数值模拟，其中压力各向异性是由持续线性剪切$S$改变磁场而驱动的。对于一个减少的字段，它被发现，主要是斜消防水龙带波动增长在离子拉莫尔尺度和饱和的能量$\sim$ $S^{1/2}$，压力各向异性钉扎在稳定性阈值的粒子散射的微尺度波动。相比之下，非线性镜波动较大的离子拉莫尔规模和增长世俗的时间;边际是由越来越多的人口共振粒子被困在磁镜。在一个剪切时间后，形成饱和的有序统一磁镜，并且粒子从它们的尖锐边缘散射。这两种不稳定性驱动亚离子拉莫尔尺度波动，这似乎是动力学阿尔文波湍流。我们的研究结果影响了天体物理和空间等离子体中的动量和热量传输理论，其中磁场的剪切拉伸是一个通用的过程。
2014-05-02 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Electron Beam Weibel Instability in the Collisionless Shock with Low Mach Number
采用粒子模拟方法研究了静电无碰撞激波中电子束的韦伯不稳定性。当非相对论入射等离子体与冷的稀等离子体碰撞时，在界面附近形成静电激波。在此基础上，由于韦伯不稳定性的存在，形成了一个附加的面外磁场。结果表明，入射热电子的各向异性不足以触发韦伯不稳定性。在稀等离子体中，冷电子激发了韦伯不稳定性。稀等离子体中的电子在被冲击电场加速到相对论速度后，具有相当大的各向异性，可以触发韦伯不稳定性
2022-02-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Electrostatic and electromagnetic instabilities associated with electrostatic shocks: two-dimensional particle-in-cell simulation
本文采用二维电磁粒子模拟方法研究了相对高速（~3000 km/s^-1）等离子体流中的静电无碰撞激波，以及激波周围可能产生的静电和电磁不稳定性对激波动力学的影响。结果表明，静电离子-离子不稳定性可以发展在前面的冲击，在那里的等离子体是在逆流条件下，具有高度倾斜的波矢，如前所述。由静电离子-离子不稳定性产生的静电势斜向激波表面传播，变得与激波势相当，最终激波结构被破坏。结果还表明，在激波前，束-韦伯不稳定性也逐渐增强，从而表明束-韦伯不稳定性产生的磁场在激波的长期演化中起重要作用，并且在静电激波消失后很长时间内，韦伯介导的激波才形成。还观察到，二次静电冲击形成在初级静电冲击前面的反射离子中。
2010-03-05 astro-ph.HE physics.plasm-ph
The Collisionless Magnetoviscous-Thermal Instability
很可能几乎所有的中央星系大质量和超大质量黑洞都是无辐射的：它们的吸积光度比周围环境中有效的黑洞吸积所能解释的光度低几个数量级。这些天体，其中人马座A* 是最著名的例子，也是稀释的（轻度碰撞到高度无碰撞）和光学薄。为了使吸积发生，磁流体动力学不稳定性必须发展，不仅传输角动量，而且通过物质下落产生的引力能，向外。发现一类新的磁流体动力学流体不稳定性-磁粘-热不稳定性（MVTI）（Islam 12）-通过大的（流体）粘度和热导率沿磁场线传输角动量和能量。本文描述了MVTI的无碰撞和轻度碰撞类似物，即碰撞磁热不稳定性（CMTI），它类似地向外传输能量和角动量，预计在描述热、稀释和辐射低效的吸积流的流动特性方面很重要。黑洞。本文导出了适用于吸积物理的无碰撞漂移动力学方程的一种形式。我们构造了一个局部平衡点，用于差分旋转圆盘的MHD稳定性分析。然后，我们发现和表征特定的不稳定性，预计是重要的热，稀释，辐射效率低的吸积流周围的黑洞的流动特性描述，并显示其定性相似的不稳定性使用流体形式主义（伊斯兰12）。我们的结论与进一步的工作需要在建模这类吸积流。
2014-04-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Solution to a collisionless shallow-angle magnetic presheath with kinetic ions
使用的离子和绝热电子的动力学模型，我们解决了一个稳定的状态，电子排斥磁预鞘中，一个均匀的磁场使一个小的角度$α\ll 1$（弧度）与壁。预鞘特征厚度为典型的离子回旋半径$ρ_{\text{i}}$。德拜长度$λ_{\text{D}}$和离子$λ_{\text{mfp}}$的碰撞平均自由程满足$λ_{\text{D}} \ll ρ_{\text{i}} \ll αλ_{\text{mfp}}$序，因此采用准中性无碰撞模型。我们假定静电势仅是离壁面距离的函数，并且它在$ρ_{\text{i}}$尺度上变化。利用$α\ll 1$中的展开式，导出了离子密度的解析表达式，该表达式只依赖于磁预鞘入口处的离子分布函数和静电势分布。重要的是，我们增加了在壁附近区域的轨道的关键贡献。通过引入准中性方程，导出了离子分布函数在磁预鞘入口处必须满足的一个条件--Chodura条件的动力学等价条件。使用的离子分布函数在入口处的磁预鞘，满足动力学Chodura条件，我们找到了自洽的静电势，离子密度和流量的数值解的磁预鞘的几个值的$α$。我们的数值计算结果还包括离子在德拜鞘入口处的速度分布。我们发现，在小的值的$α$有实质上较少的离子与一个大的正常分量的速度进入壁。
2018-10-13 physics.plasm-ph
Nonlinear Kinetic Development of the Weibel Instability and the generation of electrostatic coherent structures
在二维速度空间中，用Vlasov程序研究了无碰撞等离子体中电子分布函数各向异性驱动的韦伯不稳定性的非线性演化.结果发现，这种不稳定性所产生的电磁场引起的电子在相空间中的分布函数的强烈变形，对应于高度膨胀的磁涡旋。最终，这些变形导致产生短波长朗缪尔模式，其形成对应于静电势跳跃的高度局部化的静电结构。
2010-08-13 physics.plasm-ph
Free energy sources in current sheets formed in collisionless plasma turbulence
宏观能量无碰撞耗散为热是空间和天体物理等离子体的一个未解决的问题，例如，太阳风和地球的磁鞘。考虑中最可行的过程是宏观能量到动力学尺度的级联，其中无碰撞等离子体过程耗散能量。空间观测和数值模拟表明，在湍流等离子体中动力学尺度电流片的形成。这些CS中的不稳定性可以提供无碰撞耗散并影响湍流。物理量的空间梯度和非麦克斯韦速度分布函数为CS等离子体不稳定性提供了自由能源。为了确定由等离子体密度和电子/离子体速度的空间梯度在CS中形成的无碰撞湍流等离子体与外部磁场$\mathbf{B}_0$提供的自由能量源，我们进行了二维PIC混合模拟和解释的模拟模型的限制内的结果。我们发现，在无碰撞湍流等离子体中，离子尺度的CS主要是由电子剪切流形成的，即，CS内部的电子体积速度远大于离子体积速度，而通过CS的密度变化相对较小（$<$ 10%）。电子体速度和因此片内的电流密度主要平行于$\mathbf{B}_0$。垂直的电子和离子体速度的剪切产生平行的电子和离子流涡旋。在CS内部，平行电子流涡度超过平行离子流涡度，在CS中心附近改变符号，并在CS边缘附近达到峰值。在CS形成期间，CS附近出现离子温度各向异性。它与平行的离子流和电子流涡度呈正相关。理论估计支持模拟结果。
2021-08-05 physics.plasm-ph
Ion acceleration at two collisionless shocks in a multicomponent plasma
强激光与等离子体相互作用是实验室研究无碰撞冲击离子加速的重要手段。用二维粒子单元法计算了多组分等离子体，在归一化激光矢势a0超过10时，用线偏振激光驱动时，在两个不同的纵向位置观察到两个静电无碰撞激波。此外，这些冲击，与质子和碳离子，显示幂律依赖于a0和加速离子不同的速度在一个扩大的上游具有更高的通量比在单组分氢或碳等离子体。这是由不同离子的荷质比差异引起的静电离子双流不稳定性造成的。在空间和天体物理学中，多组分等离子体中的无碰撞冲击中的粒子加速是普遍存在的，这些计算确定了在实验室中研究这些复杂过程的可能性。
2021-04-02 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Radiation Pressure Driven Ion Weibel Instability and Collisionless Shocks
来自逆流等离子体流的韦伯不稳定性是天体物理中与无碰撞激波形成密切相关的基本过程。在这封信中，我们调查，通过二维和三维模拟，合适的配置的实验室调查的离子韦伯不稳定性（IWI）驱动的快速准中性等离子体流发射到目标通过辐射压力的超高强度（UHI）激光脉冲（“钻孔”过程）。在斜入射的S-偏振光的使用被认为是驱动IWI的最佳配置，因为它防止了在垂直入射时观察到的表面波纹的发展，这将导致强电子加热并有利于竞争不稳定性。IWI演变成无碰撞冲击的条件进行了研究。
2017-08-11 physics.plasm-ph
Effect of guide field on three dimensional electron shear flow instabilities in collisionless magnetic reconnection
我们研究了外部引导场和电流片厚度对由电子剪切流驱动的电子电流片的三维不稳定模的生长速率和性质的影响。增长最快的模式的增长率下降迅速与当前片的厚度，但增加缓慢的引导场的强度。增长最快的模式是撕裂型，只有薄电流片（半厚度$\approx d_e$，其中$d_e=c/ω_{pe}$是电子惯性长度）和零导场。对于有限的导场或较厚的电流片，最快增长的模式是非撕裂型。然而，最快的2-D撕裂模式和3-D非撕裂模式的增长率是相当薄的电流片（$d_e < $半厚度$ < 2\,d_e$）和小的引导场（的数量级的磁场支持电子电流片的分量的渐近值）。结果表明，电子-磁流体力学（EMHD）和磁流体力学（MHD）撕裂模的一般模式共振条件取决于有效耗散机制（分别为EMHD和MHD情况下的电子惯性和电阻率）。通常的撕裂模共振条件（$\mathbf{k}.\mathbf{B}_0=0$，$\mathbf{k}$是波矢，$\mathbf{B}_0$是平衡磁场）可以从弱耗散极限下的一般共振条件恢复。从一般模式共振条件出发，得到了撕裂模存在的必要条件（与电流片厚度、导场强度和波数有关）。
2015-04-06 physics.plasm-ph
Features of collisionless turbulence in the intracluster medium from simulated Faraday rotation maps II: the effects of instabilities feedback
对星系团团内介质（ICM）的法拉第旋转测量（RM）图进行统计分析，为评价ICM内磁场的某些空间特征提供了一个独特的工具。它与磁流体动力学（MHD）湍流的数值模拟相结合，可以诊断ICM湍流。由于ICM等离子体是弱碰撞的，粒子的热速度分布由于大尺度运动和带电粒子的磁矩守恒而自然地呈现各向异性。以前的一项研究（论文I）分析了大尺度热各向异性对湍流模拟合成的RM地图统计数据的影响;这些模拟采用了无碰撞MHD模型，该模型考虑了具有均匀各向异性的张量压力。在目前的工作中，我们扩展到一个无碰撞的MHD模型的分析，其中的热各向异性的发展，根据守恒的热粒子的磁矩。我们还考虑了微尺度镜和消防水龙带不稳定性引起的各向异性弛豫效应。我们表明，如果弛豫速率足够快，以保持各向异性限制的阈值的不稳定性，RM映射的色散和功率谱是不可区分的从碰撞MHD。否则，有一个减少的分散和陡峭的RM地图的功率谱（碰撞的情况下相比）。考虑到第一种情况，在ICM中使用碰撞MHD模拟来模拟RM统计变得更合理。
2016-11-27 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Comprehensive Gyrokinetic Study of Eigenstate Transitions in Fast Ion-Driven Electrostatic Drift Instabilities
本研究通过回旋动理学理论推导和GKV模拟，揭示了通行快离子驱动的漂移不稳定性中本征态转变的机制，并发现净能量通量可向内，对聚变加热效率有重要影响。
2025-01-23 physics.plasm-ph
Non-modal stability analysis and transient growth in a magnetized Vlasov plasma
无碰撞等离子体，如托卡马克中遇到的那些，表现出丰富多样的不稳定性。然而，许多等离子体不稳定性的物理起源、触发机制和基本认识仍然是悬而未决的问题。本文研究了无碰撞弗拉索夫等离子体在稳定均匀磁场中的稳定性。我们将调查范围缩小到麦克斯韦等离子体的情况。第一次使用完全动力学的方法，我们显示了出现的局部不稳定性，一个短暂的增长，然后在一个稳定的磁化等离子体的经典朗道阻尼。我们证明了线性化的Vlasov算子是非正常的，导致代数增长的扰动，使用非模态稳定性理论。得到的不稳定性的典型时间尺度是几个等离子体周期的顺序。计算了一阶分布函数和相应的电场，并研究了磁场和微扰参数对一阶分布函数和电场的影响。我们的研究结果提供了一个新的方案的出现和发展的动力学尺度上的等离子体不稳定性。
2014-08-28 physics.plasm-ph
The nonmodal kinetic theory for the electrostatic instabilities of a plasma with a sheared Hall current
发展了以剪切模方法或所谓的非模方法为基础的霍尔电流驱动的剪切电流速度不稳定性的动力学理论。发展的理论预测，在霍尔等离子体与非均匀电场，单独的空间傅立叶模式的扰动是确定的框架对流等离子体组件之一。由于霍尔等离子体中的离子流和电子流的不同剪切，该模式被第二分量感知为具有随时间变化的波数的多普勒频移连续剪切模式。由于这种效应，等离子体组分的相互作用形成了非模态的时间相关过程，这应该作为初值问题来研究。所开发的方法适用于流体动力学修改的双流不稳定性和动力学离子声不稳定性的等离子体剪切霍尔电流与匀速剪切的线性初值问题的解决方案。这些解揭示了流速的均匀部分是导致不稳定性模态演化的原因，而流速剪切是非模态不稳定性发展的根源，其指数随时间增长为$\sim\left(t-t_0\right)^3$ .
2019-08-06 physics.plasm-ph
Suppression and excitation condition of collision on instabilities of electrostatic plasmas
本文通过Vlasov-Poisson模拟发现，碰撞不仅能抑制双流不稳定性，还能在冷束理论禁戒速度范围内激发不稳定性，并划分了抑制、过渡、激发和禁戒区域，扩展了对碰撞效应的理解。
2024-07-10 physics.plasm-ph
Electrostatic Plasma wave excitations at the interplanetary shocks
在过去的几十年里，不同类型的等离子体波（例如，离子声波（IAWs）、静电孤立波（ESWs）、上/下混合波、朗缪尔波等）。在无碰撞行星际激波的上游、下游和斜坡区都观察到了激波。这些波在现场测量中表现为短持续时间（在1 au处仅几毫秒）的电场特征，典型频率为$\sim1-10$ kHz。在IP冲击的IAW功能的数量似乎是无法解释的动力学模型，需要一个新的建模工作。因此，本文致力于弥合这一差距。在本文中，我们模拟的线性IAWs内的激波斜坡，通过设计一种新的线性化方法的两流体磁流体力学方程的空间依赖的冲击参数。据发现，对于平行传播的波，线性色散关系导致一个有限的增长率依赖于激波密度压缩比，风的数据表明。进一步的分析表明，波的频率增长的冲击斜坡内的下游，和波的增长率是独立的电子-离子的温度比，磁层多尺度（MMS）的原位测量表明，和均匀的冲击斜坡内。因此，这项研究有助于了解在无碰撞IP冲击的IAW的特性。
2022-12-23 physics.plasm-ph
Enhanced collisionless laser absorption in strongly magnetized plasmas
强磁化的等离子体增加了一系列在非磁化等离子体中不存在的波，并扩大了激光等离子体相互作用（LPI）的景观。在本文中，我们使用粒子模拟（PIC）来研究磁惯性聚变实验相关条件下一维强磁化LPI，重点关注电子-回旋频率大于等离子体频率且磁场相对于波矢量呈斜角的情况。我们表明，当电子回旋混合波频率约为激光频率的一半，激光共振衰减磁化等离子体波通过初级和次级不稳定性与大的增长率。这些不同的磁场控制的不稳定性，我们统称为双磁振子衰变，类似于非磁化等离子体中的双等离子体子衰变。由于额外的相位混合机制引入的倾斜磁场，大振幅磁化波的无碰撞阻尼基本上加宽了电子分布函数，特别是沿磁场的方向。在这个过程中，能量从激光器有效地转移到等离子体波，然后转移到电子，当存在强共振时，导致大的总吸收率。增强的激光能量吸收可以解释磁化激光内爆实验中观察到的比预期更热的温度，也可以用来开发更有效的激光驱动x射线源。
2022-09-12 physics.plasm-ph
Properties and evolution of anisotropic structures in collisionless plasmas
基于Jeans定理，提出了一类新的Vlasov-麦克斯韦方程组的精确静电解，用于研究远离热力学平衡的二维各向异性等离子体的演化和性质.特别地，研究了电子-离子等离子体平板进入真空的自由膨胀。
2016-08-22 physics.class-ph physics.plasm-ph
Collisionless microinstabilities in stellarators. IV. The ion-driven trapped-electron mode
优化的仿星器和其他磁约束装置具有平均磁曲率对所有粒子轨道都有利的特性，被称为最大$J$装置，最近已被证明不受密度梯度驱动的捕获粒子不稳定性的影响。然而，回旋动力学模拟表明，另一种不稳定性可能会出现，这也与粒子捕获，但导致较少的运输比典型的陷阱电子模式。这种不稳定性的性质在这里得到澄清。它被证明是类似于托卡马克中的“无处不在的模式”，是由离子自由能驱动，但需要被捕获的电子存在。
2017-08-14 physics.plasm-ph
On the Formation and Properties of Fluid Shocks and Collisionless Shock Waves in Astrophysical Plasmas
当两个等离子体碰撞时，它们的相互作用可以通过无碰撞等离子体不稳定性或每个壳层粒子之间的二元碰撞来介导。通过比较无碰撞不稳定性的最大增长率与壳层粒子之间的碰撞频率，我们确定了将无碰撞形成与碰撞形成所产生的冲击波分开的临界密度。这个临界密度也是一个密度，超过这个密度，下游的激波就没有场了，因为等离子体不稳定性没有时间发展电磁模式。进一步确定了下游碰撞时壳体的初始密度和速度条件。如果这些量满足确定的条件，则下游的碰撞性也防止冲击波加速粒子或产生强磁场。我们比较的声速与两个壳之间的碰撞的相对速度，从而确定的部分的参数空间中的强冲击的形成是可能的经典和简并等离子体。最后，我们讨论了在几个天体物理设置的观测结果。
2018-05-24 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Gyrofluid simulations of collisionless reconnection in the presence of diamagnetic effects
本文采用哈密顿回旋流体模型，通过数值模拟研究了离子Larmor半径对磁重联的影响。在线性区，离子抗磁效应降低了主模的增长率。离子温度的升高使磁岛向离子抗磁漂移方向扩展。在非线性区域，抗磁效应减小了岛的最终宽度。与电子密度不同，导向中心密度不倾向于沿分界线分布，在高离子温度下，静电势呈现出与电子密度相关的小尺度结构和与离子导向中心密度相关的大尺度结构的叠加。
2011-09-01 physics.plasm-ph
Shielding of absorbing objects in collisionless flowing plasma
本文利用线性化的等离子体离子动力学方程，考虑了带电吸收体（尘埃颗粒）对离子的吸附，研究了尘埃颗粒在流动的无碰撞等离子体中的静电屏蔽。研究了吸收对颗粒势吸引部分的影响。对于亚热离子流，在垂直于离子流的方向上的颗粒势的吸引部分可以显着减少或完全破坏，这取决于吸收率。然而，对于超热离子流，吸收对垂直于离子流方向上的颗粒吸引力的影响呈指数弱。因此，有人认为，在超热离子流的限制下，吸收对晶粒屏蔽电位的影响可以安全地忽略典型的晶粒尺寸相关的复杂等离子体。
2010-07-06 physics.plasm-ph
Turbulence in collisionless plasmas: statistical analysis from numerical simulations with pressure anisotropy
在过去的几年里，我们经历了越来越多的兴趣，在理解的物理性质的无碰撞等离子体，主要是因为大量的天体物理环境，例如，星团内介质（ICM），包含磁场是强大到足以耦合到电离气体和密度足够低，以防止压力各向同性相对于磁力线方向的特点。在这些条件下，一类新的动力学不稳定性出现，如消防水龙带和镜像的，这是在文献中广泛研究。然而，在压力各向异性的存在下，它们在湍流演化和叶栅过程中的作用仍然不清楚。在这项工作中，我们提出了第一个统计分析的湍流在无碰撞等离子体中使用三维双等温磁流体力学与Chew-Goldberger-Low封闭（CGL-MHD）的数值模拟。我们研究了具有不同初始条件的模型，以考虑水龙带和镜像不稳定性，并获得不同的湍流状态。我们研究了密度和速度涨落的概率分布函数、谱、结构函数和各向异性。结果表明，在某些情况下，不稳定性显着修改的统计特性的湍流，即使初步和限制到非常具体的条件下，表明湍流的物理性质在无碰撞等离子体中，在ICM中发现的，可能是非常不同的，从很大程度上被认为是什么。其影响范围从能量交换到宇宙射线加速。
2010-12-23 astro-ph.GA physics.plasm-ph
Wave instabilities of a collisionless plasma in fluid approximation
本文利用从Vlasov方程得到的16阶矩输运方程组，研究了流体近似下磁化、各向异性、无碰撞、稀薄热等离子体中的波动性质和不稳定性。这些方程不同于CGL-MHD流体模型（Chew，Goldberger和Low，1956年的单流体方程），因为包括两个各向异性热通量演化方程，其中通量使双重多方CGL定律无效。导出了线性可压缩波模的一般色散关系。除了经典的不可压缩消防水龙带模式，出现了四种类型的可压缩波模式：两个快速和慢速镜像模式-强烈修改相比，CGL模型-和两个热模式。在沿磁场存在初始热通量的情况下，对于相对于磁场向前和向后运行的波，波的性质变得不同。CGL-MHD流体模型的结果与动力学理论的结果之间的众所周知的差异现在被消除：i）镜像慢模不稳定性准则现在与动力学理论中的一致。ii）类似地，在动力学研究中，出现了两种类型的消防水带不稳定性-不可压缩的和可压缩的。这两种不稳定性可以出现相同的等离子体参数，和新的可压缩的倾斜消防水龙带模式的不稳定性可以成为主导。可压缩消防水龙带的不稳定性是三个逆行模式-两个热模式和一个快速镜像模式的共振耦合的结果。所得结果可应用于太阳和恒星的日冕和风模型理论。
2010-12-20 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Electron Heating by the Ion Cyclotron Instability in Collisionless Accretion Flows. I. Compression-Driven Instabilities and the Electron Heating Mechanism
在远低于爱丁顿速率的吸积系统中，盘最里面区域的等离子体是无碰撞的双温，离子比电子热。然而，在双温吸积流中是否存在无碰撞的快于库仑的能量转移机制仍然是一个悬而未决的问题。我们研究了电子加热的物理过程中的离子速度-空间不稳定性的增长，通过多维粒子在细胞（PIC）模拟。一个大规模的压缩-嵌入在一个新形式的PIC方程-不断放大的领域。由于粒子磁矩的绝热不变性，这不断地驱动压力各向异性P_perp > P_parallel。我们发现，对于适合于低光度吸积流中平面的离子等离子体β值β_i ~ 5-30，当电子-质子温度比> 0.2时，镜像模占主导地位，而当电子-质子温度比< 0.2时，离子回旋不稳定性触发强Alfven-like波的增长，俯仰角散射离子以维持边缘稳定性。我们开发了一个分析模型的电子加热过程中的离子回旋不稳定性的增长，我们与PIC模拟验证。我们发现，对于冷电子（β_e < m_e/m_i），电子的能量增益由离子回旋波引起的E-交叉-B速度的大小所控制。这个项与初始电子温度无关，因此它提供了一个坚实的能量基础，即使电子从极低的温度开始。另一方面，当β_e > m_e/m_i时，电子的能量增益与初始电子温度成正比，这取决于不稳定性增长场中的磁矩守恒。我们的结果对双温吸积流以及太阳风和团内等离子体都有影响。[删节]
2014-11-20 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Investigation of the influence of electrostatic excitation on instabilities and electron transport in ExB plasma configurations
本研究通过一维和二维粒子模拟探讨了在ExB等离子体构型中施加轴向时变电场对ECDI等不稳定性演化和电子交叉场输运的影响，发现约40 MHz激发可降低ECDI振幅并减少约30%的电子输运，为提升等离子体约束提供了新途径。
2025-04-03 physics.plasm-ph
Head-on collision of ion acoustic shock waves in collisionless plasma with pair-ions and electrons
研究了由正负离子和电子组成的非磁化无碰撞等离子体系统中离子-声冲击波（IASW）的迎头碰撞及其对冲击波（单调和振荡）形成和相移的影响。孤子解是从双侧Korteweg-de Vries Burger（KDVB）方程导出的。采用扩展的Poincare-Lighthill-Kuo（ePLK）方法得到KdVB方程。假设负离子是不动的，电子在等离子体中遵循玻尔兹曼能量分布。等离子体的参数，如密度比和运动粘度的静电激波轮廓，相移，振幅，形成的冲击（单调和振荡），以及对孤立子的解决方案的影响进行了研究。结果表明，正负离子的密度比对冲击波的形成和碰撞后的相移起着至关重要的作用。
2018-06-06 physics.plasm-ph
Resonant instabilities mediated by drag and electrostatic interactions in laboratory and astrophysical dusty plasmas
本文将共振阻力不稳定性中的缺陷特征值共振机制推广为共振不稳定性框架，揭示双流、丝状电离与声学RDI的物理共性及其实验室研究价值。
2023-07-20 astro-ph.GA physics.plasm-ph
