Surfatron acceleration along magnetic field by oblique electrostatic waves
利用静电波的斜向传播，可以通过表面加速器机制沿直流磁场加速带电粒子。在等离子体中，这种机制原则上可以产生平均平行电流，即使当波的频率远大于陀螺频率，波的相速度远大于粒子的初始速度。
2011-11-20 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
Electromagnetic field generation in the downstream of electrostatic shocks due to electron trapping
在静电冲击中发现了一种新的磁场产生机制，它可以在时间尺度$ \tilde \, 10^4 \, ω_{pe}^{-1}$上产生磁能密度高达流动能密度的0.01的场。在冲击波形成过程中的电子捕获在分布函数中产生了强烈的温度各向异性，引起了纯韦伯不稳定性。产生的磁场被很好地限制在静电冲击的下游区域。冲击波形成过程没有修改和负责离子加速，目前在激光等离子体实验室实验中探测的冲击波前的功能，保持。然而，如此强的磁场决定了下游的粒子轨迹，并有可能改变无碰撞激波的特征。
2014-08-20 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Electrostatic Waves and Electron Holes in Simulations of Low-Mach Quasi-Perpendicular Shocks
本文利用二维PIC模拟研究低马赫数准垂直激波，揭示电子束驱动EAWs并演化为ESWs的机制，且其尺度和振幅依赖激波速度。
2024-08-03 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
The evolution of a slow electrostatic shock into a plasma shock mediated by electrostatic turbulence
两个等离子体云以超过离子声速的速度碰撞可能导致激波的形成。这种现象不仅在超新星遗迹（SNR）爆炸壳传播到星际介质等天体物理学场景中观察到，而且在基于实验室的激光等离子体实验中也观察到。因此，这些实验和辅助模拟被视为在实验室中小规模复制和研究天体物理冲击的一个有吸引力的平台。我们模拟两个等离子体云，其中包括电子和离子，与2D PIC模拟。两个云的离子温度相差10倍。这两个云碰撞的速度，这是现实的实验室研究和SNR冲击在其后期演变阶段，如RCW 86。与模拟平面正交的磁场具有与SNR冲击相当的强度。在等离子体云和具有较冷离子的云的重叠层之间形成前向激波。一个大振幅的离子声波之间的重叠层和云与较热的离子观察。它不会变陡成反向激波，因为它的速度低于离子声速。磁场振幅的梯度在向前冲击压缩磁场时靠近向前冲击建立。这种梯度引起电子漂移，其速度足以触发不稳定性。静电离子声波湍流先于激波发展。它加宽了它的过渡层，使离子热化，但前向激波保持完整。
2014-05-23 astro-ph.HE 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
Parametric study of non-relativistic electrostatic shocks and the structure of their transition layer
在实验室等离子体中经常观察到非相对论性静电非磁化激波，它们很可能存在于天体物理等离子体中。它们的最大速度，表示在远上游的冲击离子声速的单位，只取决于电子-离子的温度比，如果二进制碰撞是不存在的。这种冲击的形成和演变的研究在这里广泛的冲击速度与粒子在细胞（PIC）模拟。电子和重400倍的离子的初始温度是相等的。激波在电子时间尺度上在马赫数1.7和2.2之间形成。在数十个逆离子等离子体频率之后形成马赫数高达2.5的激波。随着马赫数的增加，激波反射离子束的密度增加，穿过激波的离子数减少，导致下游区域在其静止坐标系中的较慢膨胀。该离子束所占据的间隔相对于远上游处于正电势上。即使在没有电子束不稳定性的情况下，这种电势也会在冲击前预热电子，并使冲击前的前震中的电子温度与远上游等离子体中的电子温度相差很大。激波的有效马赫数因电子加热而减小。这种效应可能会稳定与超新星遗迹（SNR）冲击一样快的非相对论静电冲击。
2013-04-24 physics.plasm-ph
Relativistic generalization of formation and ion reflection conditions in electrostatic shocks
Sorasio等人（2006）关于在两个任意密度和温度的等离子体板相互作用中形成的静电冲击的稳态马赫数的理论模型被推广到相对论电子和非相对论离子温度。我们发现，相对论修正导致较低的马赫数，作为一个结果，离子被反射的能量较低。下游群体的稳态体积速度被引入作为一个额外的参数来描述依赖于初始密度和温度比的最小和最大马赫数之间的过渡。为了将上游区域的类孤子解转化为激波，考虑了反射离子的分布，并讨论了与零离子温度模型的差异。
2013-04-22 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
Modification of the formation of high-Mach number electrostatic shock-like structures by the ion acoustic instability
利用一维和二维粒子模拟方法研究了高马赫数下非磁化静电激波结构的形成。这些结构是通过两个相同的等离子体云的碰撞产生的，这些等离子体云由质量比为250的同等热的电子和离子组成。将碰撞速度相对于等离子体的初始离子声速的马赫数设定为4.6。这种高的马赫数使这种结构的形成延迟数十个逆离子等离子体频率。在1D模拟中观察到一对稳定的冲击状结构，这对结构逐渐演变为静电冲击。离子声不稳定性，它可以在2D模拟，但不是在1D的一个，竞争的非线性过程，产生这些结构。倾斜的离子声波使它们的电场破碎。大部分离子改变其速度的过渡层变宽，并且它们的速度变化减小。双层-冲击混合结构的发展。
2013-10-07 physics.plasm-ph
Density bump formation in a collisionless electrostatic shock wave in a laser-ablated plasma
实验观察到飞秒激光烧蚀铝箔时，在无碰撞静电冲击波的前端出现密度隆起。我们已经进行了数值模拟的动力学的这种现象的发展，同时产生的一个包的离子声波，暴露于一个持续流动的高能电子，在无碰撞等离子体。我们提出了所观察到的效果的物理解释，并表明，凸块由过境粒子，即，从致密的等离子体层的加速离子，和稀释的背景等离子体，由纳秒激光预脉冲在烧蚀过程中形成的离子。
2016-07-07 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
Electrostatic shock structures in a magnetized plasma having non-thermal particles
本文从理论上研究了尘埃-离子-声冲击波在多组分磁化对离子等离子体中的非线性传播，该等离子体中含有惰性的暖正离子和负离子，无惰性的非热电子和正电子，以及静态的带负电荷的大颗粒尘埃颗粒。用约化摄动法导出了Burgers方程。等离子体模型支持在静态带负电荷的大规模尘埃颗粒的存在下的正激波和负激波结构。结果表明，正、负激波轮廓的陡度均随离子运动粘度的增加而减小，但对高度无影响;电子温度的增加使激波轮廓的振幅增大。正激波的高度随入射角的增大而增大，正激波的高度随正电子数密度的增大而增大。本文还简要讨论了本研究结果的应用。
2021-07-17 physics.plasm-ph
Electrostatic shock dynamics in superthermal plasmas
用解析和数值方法研究了离子声激波在非热等离子体中的传播。考虑了非磁化的无碰撞电子-离子等离子体，其特征在于超热（非麦克斯韦）电子分布，其由$κ$ -（kappa）分布函数建模。采用多尺度方法，它表明，低振幅冲击的动力学模型的混合Korteweg-de Vries - Burgers（KDVB）方程，其中的非线性和色散系数的$κ$参数的函数，而耗散系数是离子粘度的线性函数。所有相关的冲击参数取决于$κ$：从一个纯麦克斯韦行为的偏差更高诱导冲击更窄，更快，更大的振幅。KDVB方程的扭结形解决方案对外部扰动的稳定性配置文件进行了研究，发现的冲击的空间配置文件依赖于和色散和耗散之间的相互作用的作用被阐明。
2011-12-29 physics.plasm-ph
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
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
Electron shock drift acceleration at a low-Mach-number, low-plasma-beta quasi-perpendicular shock
本文通过二维粒子模拟揭示低马赫数、低等离子体贝塔准垂直激波中电子回旋漂移不稳定性激发静电波散射加热入射电子，使其逃出损失锥后被激波反射并加速，从而显著提升激波漂移加速效率。
2024-09-05 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Shock acceleration with oblique and turbulent magnetic fields
我们调查冲击波加速在一个现实的天体物理环境与密度不均匀性。由激波前兆与上游密度波动的相互作用引起的湍流通过湍流发电机放大上游和下游磁场。电动机放大的湍流磁场（a）沿激波面引入激波折射率的变化，（b）通过激波漂移和扩散过程的组合实现能量增益，（c）引起加速粒子的各种光谱指数，（d）调节平行于和垂直于磁场的粒子扩散，以及（e）增加激波加速效率。我们的研究结果表明，上游密度不均匀性和发电机放大的磁场冲击加速起着重要的作用，因此冲击加速取决于周围的星际环境的条件。本文还讨论了这一结果对理解超新星遗迹射电谱的意义。
2021-11-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Electrostatic field acceleration of laser-driven ion bunch by using double layer thin foils
采用二维粒子模拟方法研究了强线偏振激光脉冲作用下双层薄箔靶产生和加速单能离子束团的过程。靶前层的低Z离子被激光驱动的超热电子加速并穿透高Z离子层，形成准单能离子束，该束将继续被不动的高Z离子和超热电子形成的准稳定静电鞘场加速。这一机制为在束流产生实验中不需要超高对比度和高梯度激光脉冲而产生单能离子束提供了可能性，模拟结果证实了这一点。
2012-01-16 physics.plasm-ph
Nonthermal Electron Acceleration at Collisionless Quasi-perpendicular Shocks
冲击波在无碰撞的日光层和天体物理等离子体中的传播已经被广泛研究了几十年。一个主要的动机是了解冲击时的非热粒子加速。虽然扩散激波加速（DSA）理论长期以来一直是宇宙射线在激波加速的标准，粒子加速的等离子体物理理解仍然难以捉摸。本文综述了近几年来在准垂直冲击下电子非热加速机制的研究进展。本评论中的讨论仅限于以下三个具体主题。第一种是随机冲击漂移加速（SSDA），这是一种相对较新的电子注入DSA的机制。本文将讨论其基本机制、相关的现场观测和动力学模拟结果，以及它与DSA的联系。其次，我们讨论了与年轻超新星遗迹（SNRs）有关的高马赫数激波的激波冲浪加速（SSA）。虽然一维假设下的原始建议是不现实的，SSA现在已被证明是有效的一个完全三维的动力学模拟。最后，我们讨论了目前的理解磁化韦伯主导的冲击。激波结构内自生电流片的自发磁重联是韦伯产生的强磁湍流的有趣结果。我们认为，高马赫数冲击与阿尔芬和声音马赫数超过20-40将可能表现为韦伯主导的冲击。尽管最近有一些有趣的发现，SSDA，SSA，和磁重联的电子加速在无碰撞冲击的相对作用，以及如何占主导地位的粒子加速机制的变化取决于冲击参数仍然有待回答。
2022-09-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-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
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
Collisional effects on the electrostatic shock dynamics in thin-foil targets driven by an ultraintense short pulse laser
采用粒子模拟方法，研究了高强度（$I\approx2{-}5\times10^{20}{\rm\,Wcm^{-2}}$）、超短（${\sim}10{\rm\,fs}$）、圆偏振激光脉冲辐照下，库仑碰撞对高$Z$、固体密度氢化铯和铜靶中离子动力学的影响。碰撞显着增强电子加热，从而大大增加了在激光等离子体相互作用中发射的冲击波的速度。在氢化铯靶中，两种离子之间的碰撞将质子加热到${\sim}100{-}1000{\rm\,eV}$温度。然而，与以前的工作相比（A.E. Turrell等人，2015 Nat Commun. 6，8905），由于几乎全部的质子反射，该过程仅发生在上游。这种差异归因于不同的模型，用于处理碰撞在稠密/冷等离子体。在铜靶的情况下，离子反射可以作为自放大过程开始，自举。之后，反射离子和上游离子之间的碰撞显著加热这两个群体。当将脉冲持续时间增加到$60{\rm\,fs}$时，激波阵面更清楚地从激光器活塞中分离出来，因此可以在没有激光器直接干扰的情况下进行研究。在早期形成的冲击波表现出典型的流体动力学和静电冲击，包括离子反射的属性。在后期，可以看到冲击波演变成流体动力冲击波。
2020-07-30 physics.plasm-ph
Coherent Acceleration of Magnetized Ions by Electrostatic Waves with Arbitrary Wavenumbers
本文研究了在均匀磁场B0中离子与两个静电波相互作用的相干加速问题。这是先前对垂直于B0传播的波的分析的推广，以包括沿B0的波数的影响。Lie变换技术被用来开发描述离子运动的微扰理论，并与完整的运动方程的数值解的结果进行比较。当多普勒频移波频率相差离子回旋频率的近整数倍时，发生相干振荡。当两个波的平行波数的差异增加时，离子的相干散射被限制在相空间的一小部分。讨论了离子的散射及其与波参数的关系。
2003-07-02 physics.plasm-ph
Electron acceleration to relativistic energies at a strong quasi-parallel shock wave
在超新星爆炸后恒星碎片迅速膨胀时形成的强（高马赫数）无碰撞冲击波中，电子可以被加速到超相对论能量。来自太阳的粒子流（太阳风）中也会形成无碰撞冲击波，广泛的航天器观测已经确定，只要上游磁场大致平行于冲击表面法线（准平行条件），这些冲击波中的电子加速实际上就不存在。然而，目前还不清楚这种电子加速的磁依赖性是否也适用于年轻超新星遗迹周围更强的冲击，那里的局部磁条件知之甚少。在这里，我们提出了卡西尼号航天器观测一个异常强大的太阳系冲击波（土星的弓形激波），显着的本地电子加速已被确认在准平行磁条件下的第一次，矛盾的建立磁依赖性的电子加速在太阳系冲击。此外，这种加速导致了相对论能量（~MeV）的电子，与太阳风中冲击加速产生的最高能量相当。这些观测结果表明，在高马赫数下，像年轻的超新星遗迹激波一样，准平行激波成为相当有效的电子加速器。
2013-01-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
The Theory of Efficient Particle Acceleration at Shocks
讨论了第一原理动力学等离子体模拟中扩散激波加速理论的最新发现。当离子加速是有效的，非热粒子和自生磁场的反反应变得突出，并导致增强的冲击压缩和粒子光谱显着软比标准的测试粒子DSA理论预测的。这些结果进行了讨论的背景下，非热现象的天体物理冲击，特别关注的残余SN 1006。
2021-11-23 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
The efficiency of electron acceleration by ICME-driven shocks
利用航天器观测和试验粒子模拟的数据分析，研究了行星际日冕物质抛射（ICME）驱动的无碰撞冲击波对超热电子的加速效率.观测结果来自\emph{Wind}上的3DP/EESA仪器，在Yang等人2019年ApJ中列出的74次冲击事件期间进行，并通过315种不同冲击参数的情况进行了试验粒子模拟。共选择了7个能量范围从0.428到4.161 keV的能量通道。在模拟中，使用时间向后的方法，我们计算在$90^\circ$桨距角的平均下游通量。另一方面，$90^\circ$俯仰角的平均下游和上游通量也可以直接从74个观测激波事件中获得。此外，统计得到了事件数比随激波角（激波法线与上游磁场之间的夹角）、上游Alfv $\acute{\text e}$ n马赫数和激波压缩比的变化规律。结果表明，大的激波角、上游Alfv $\acute{\text e}$ n马赫数和激波压缩比可以提高激波加速效率。我们的研究结果表明，冲击漂移加速在ICME驱动冲击的电子加速中更有效，这证实了Yang et al. 2018的发现。
2022-11-24 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Solitary versus Shock Wave Acceleration in Laser-Plasma Interactions
用数值模拟的方法研究了超强激光与稠密等离子体相互作用中激发非线性静电波（如激波和孤子）以及由此产生的离子加速问题。孤子的稳定性和激波的形成强烈地依赖于离子的速度分布。离子谱中的单能成分是由孤立波的"脉冲"反射产生的。可能的相关性，最近的实验“冲击加速”进行了讨论。
2011-11-28 physics.plasm-ph
Injection process of pickup ion acceleration at an oblique heliospheric termination shock
本研究利用二维全动能粒子模拟，探讨了倾斜日球层终端激波处拾起离子加速的注入过程，发现反射离子驱动的大振幅波会重构激波表面，且离子通过激波冲浪与漂移加速机制被加速至数十倍上游流能量。
2024-11-13 astro-ph.EP astro-ph.HE physics.plasm-ph
Electron Surfing and Drift Accelerations in a Weibel-dominated High-Mach-number Shock
本文用三维从头算粒子模拟方法研究了电子在高马赫数准垂直激波中如何被加速到相对论能量。我们发现，相干静电布曼波和离子韦伯磁湍流共存于一个强冲击结构，使粒子获得能量在冲击冲浪和随后的随机漂移加速。最初经历冲浪加速度的高能电子通过与磁湍流相互作用进行俯仰角扩散，并在激波过渡区的限制期间连续加速。离子-韦伯湍流是电子有效非热加速的关键。
2017-09-12 astro-ph.HE physics.comp-ph physics.plasm-ph
Solar Energetic Particle Acceleration at a Spherical Shock with the Shock Normal Angle $θ_{B_n}$ Evolving in Space and Time
本文提出二维运动学模型，研究日冕物质抛射驱动的球状激波中太阳高能粒子加速，发现激波法向角时空演化导致西翼优先加速粒子至更高能量，并重现双幂律能谱，为多航天器观测提供新见解。
2023-06-23 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Observational Evidence for Stochastic Shock Drift Acceleration of Electrons at the Earth's Bow Shock
电子的一阶费米加速需要将电子注入到温和的相对论能量范围内。然而，注射机制在理论和观察上都是一个谜。我们提出了直接的证据，一种新的随机冲击漂移加速理论的注射获得磁层多尺度（MMS）的观测在地球的弓冲击。该理论模型可以解释电子加速到温和的相对论能量在高速天体物理冲击，这可能会提供一个长期存在的问题，电子注入的解决方案。
2020-02-17 astro-ph.EP astro-ph.HE physics.plasm-ph
Simulation study of the formation of a non-relativistic pair shock
我们研究与粒子在细胞（PIC）模拟碰撞的两个同样稠密的云冷对等离子体。云相互渗透，直到不稳定性开始，这加热了等离子体并触发了一对冲击波的形成。在碰撞速度c/5和低温条件下，增长最快的波是静电双流模式和准静电斜模式。这两种波通过相空间涡旋的形成而增长和饱和。这些非线性等离子体结构的强电场提供了一种加热和压缩流入的上游轻子的有效手段。泄漏回上游区域的热轻子与流入的冷上游轻子的相互作用不断驱动介导冲击的静电波。这些波主要沿着激波法线加热流入的上游轻子，这导致激波后区域的速度分布各向异性。这种分布引起了韦伯不稳定性。我们的模拟表明，即使激波是由准静电波介导的，强磁波仍然会在其下游区域发展。
2017-01-15 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Shock Propagation and Associated Particle Acceleration in the Presence of Ambient Solar-Wind Turbulence
这篇综述论文的主题是关于太阳风湍流对激波传播的影响及其对激波中高能粒子加速和传输的后果。当行星际激波扫过湍流的太阳风时，激波表面在不同尺度范围内波动和波纹。本文讨论了在有环境太阳风湍流的情况下，粒子在波纹激波处的加速问题。这强烈影响粒子加速和高能粒子（离子和电子）在激波前沿的传输。特别是，我们指出，上游湍流的影响是至关重要的理解高能粒子在冲击的变化。此外，即使当冲击垂直于平均磁场传播时，预先存在的上游湍流的存在也显著增强了低能带电粒子的冲击附近的捕获，包括入射等离子体的热能附近。预先存在的湍流总是存在于空间等离子体中，它提供了一种有效加速低能粒子和克服激波时众所周知的注入问题的手段。
2021-02-11 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Collisionless shock acceleration of quasi-monoenergetic ions in ultra-relativistic regime
采用粒子模拟方法，在考虑辐射反作用力和电子对产生的情况下，研究了超相对论激光与等离子体相互作用中碳离子（C $^{6+}$）的无碰撞激波加速.辐射反作用力和对等离子体的形成都倾向于减慢冲击速度，减少加速离子的能量，尽管延长了加速过程的时间尺度。平板等离子体靶实现了较低的能量扩散，而具有定制密度分布的靶产生较高的离子加速能量。
2019-03-25 physics.plasm-ph
Diffusive Shock Re-Acceleration
我们已经进行了二维混合模拟的非相对论性碰撞无冲击的存在下预先存在的高能粒子（“种子”），这样的研究适用于，例如，银河系宇宙射线（CR）的超新星遗迹（SNR）的冲击和太阳风高能粒子在日光层冲击的再加速。高能粒子可以通过一个我们称之为\emph{diffusive shock re-acceleration}的过程被有效地反射和加速，而不管激波的倾角如何。我们发现，再加速种子可以驱动上游激波中的流动不稳定性，并产生有效的磁场放大。这最终可以触发热质子的注入，即使在通常不能注入热粒子的斜激波。我们描述了反射种子中的电流，发现它趋向于一个普适值$J\simeq e n_{cr} v_{sh}$，其中$e n_{cr}$是种子电荷密度，$v_{sh}$是冲击速度。当我们的结果应用到信噪比，我们发现，银河系CR的再加速可以激发贝尔不稳定性的非线性水平在不到$\sim 10$年，从而提供了一个最低水平的磁场放大任何SNR冲击。最后，我们讨论了扩散激波再加速的相关性，也为其他环境，如日光层的冲击，银河超级气泡，星系团。
2018-04-30 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Propagation speed, linear stability, and ion acceleration in radially imploding Hall-driven electron-magnetohydrodynamic shocks
等离子体密度梯度在电子磁流体力学（EMHD）中被认为是驱动磁冲击的重要因素。以前的平板模型已经扩展到径向内爆冲击的圆柱模型。发现圆柱形几何形状的主要新效应是冲击传播速度的径向依赖性。这是在这里所示的分析和数值模拟。由磁冲击的离子加速被示出可能成为实质性的，特别是在尖峰结构，因为电子惯性的冲击中发展。
2017-12-29 physics.plasm-ph
Plasma refilling of the lunar wake: plasma-vacuum interactions, electrostatic shocks, and electromagnetic instabilities
本研究通过全动力学PIC模拟揭示月球尾迹填充过程：早期遵循等离子体-真空理论，后期离子束碰撞产生静电激波并激发电磁不稳定性，为理解尾迹动力学和航天器观测提供新视角。
2025-07-10 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Theory of Stochastic Shock Drift Acceleration for Electrons in the Shock Transition Region
我们提出了一种新的电子加速机制，我们称之为随机冲击漂移加速（SSDA），扩展了标准冲击漂移加速（SDA）的低能量电子在准垂直冲击，包括随机俯仰角散射的影响。我们证明了在激波过渡区内加速的电子的稳态能谱在强散射的极限下成为幂律。光谱指数与俯仰角散射系数无关。另一方面，通过该机制可获得的最大能量与俯仰角散射系数成线性比例。这些结果已被包括有限节距角各向异性的蒙特卡罗模拟所证实。我们发现，该理论可以合理地解释准垂直地球的弓形激波的原位观测。理论标度律表明，最大能量与激波速度的平方成比例地增加，这表明在准垂直超新星遗迹激波中，热电子可能被SSDA加速到温和的相对论能量。因此，该机制为长期存在的电子注入问题提供了一个合理的解决方案。
2019-03-06 astro-ph.EP astro-ph.HE physics.plasm-ph
Theory for large amplitude electrostatic ion shocks in quantum plasmas
本文提出了一个广义非线性理论，研究了任意简并度的弱耦合简并电子流体和任意原子序数的非简并强关联离子流体组成的碰撞量子等离子体中的大振幅静电离子冲击。为了我们的目的，我们使用的惯性无电子动量方程，包括静电，压力梯度和相关的量子力，以及一个广义的粘弹性动量（GVEM）方程强相关的非简并离子。在准中性近似下，离子连续性方程关闭了我们的非线性方程组。当用无惯性电子动量方程消去GVEM方程中的电场时，我们得到了广义GVEM和离子数密度与离子流速度之间的非线性耦合的离子连续性方程。数值求解这对非线性方程组，研究了在大范围的等离子体质量密度和离子原子数下，由于谐波产生非线性和离子流体粘性之间的平衡而产生的任意大振幅平面和非平面ES激波的动力学，这些参数与巨行星（即木星）和致密恒星（即白矮星）的核心有关.我们的数值结果表明，ES激波密度分布强烈地依赖于等离子体数密度和成分（原子数）参数。此外，密度扰动传播的马赫数显着依赖于所研究的等离子体分数参数。结果表明，超密简并等离子体中ES激波的动力学在白矮星核区与低密度壳区有很大的不同。
2012-09-14 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Exploring the nature of collisionless shocks under laboratory conditions
无碰撞冲击在天体物理学中是普遍存在的，它们对于理解宇宙射线加速至关重要。强激光的实验室实验正在为探索和验证决定无碰撞冲击加速过程的微观物理开辟道路。我们确定的冲击字符-静电或电磁-静电冲击的横向电磁波动的稳定性的基础上，作为一个函数的电子温度和流速的等离子体成分，我们比较的分析模型与粒子在细胞模拟。通过与驱动等离子体流的激光参数的连接，我们证明了具有不同和独特的底层微观物理的冲击可以在实验室中用最先进的激光系统进行探索。
2014-01-13 physics.plasm-ph
Local acceleration of protons to 100 keV in a quasi-parallel bow shock
MMS航天器最近在准平行弓形激波中的观测表明，离子的快速加热和加速高达约100千电子伏的能量。结果表明，一个突出的加速机制是与梯度驱动不稳定性（包括低杂漂移（LHD）不稳定性、修正双流（MTS）不稳定性和电子回旋漂移（ECD）不稳定性）产生的波谱的非线性相互作用。测试粒子模拟表明，所观察到的波谱波可以迅速加速质子高达几百千电子伏的ExB机制。ExB波机制与冲击时的surfatron机制有关，但通过与随机加热条件的耦合，它在回旋加速器周期内与波的爆发相互作用，在更短的时间和空间尺度上产生显着的加速。本文的结果是建立在四点测量技术的集群任务的遗产，并意味着费米加速，扩散冲击加速，冲击漂移加速的概念是不需要解释质子加速到数百千电子伏在地球的弓冲击。
2021-06-19 astro-ph.EP astro-ph.HE physics.plasm-ph
The Effect of Large Scale Magnetic Turbulence on the Acceleration of Electrons by Perpendicular Collisionless Shocks
我们研究了在无碰撞冲击下电子加速的物理学，这些冲击通过包含大尺度磁波动的等离子体移动。我们数值积分的大量的电子，这被视为测试粒子移动的时间相关的电场和磁场从2-D混合模拟（动力学离子，流体电子）的轨迹。大规模的磁波动以多种方式影响电子，并导致在冲击波前沿有效和快速的电子振荡。由于电子主要沿着磁力线运动，空间中磁力线的大规模编织允许快速移动的电子多次穿过冲击波阵面，从而实现有效的加速。冲击波阵面中的各种尺度的波纹也将通过镜像电子而有助于加速。我们的计算表明，这一过程有利于电子加速在垂直冲击。本文的研究也有助于理解无碰撞冲击加速电子的注入问题。它还表明，高能电子的空间分布是类似的原位观测（例如，Bale等人，1999年; Simnett等人，2005年）。这一过程可能对我们理解行星弓形激波和行星际激波中的高能电子以及解释某些II型太阳射电爆发中的人字形结构很重要。
2010-10-02 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Non-thermal particle acceleration at highly oblique non-relativistic shocks
利用大尺度粒子模拟方法研究了一维空间中电子和离子在非相对论斜激波作用下的非热加速过程。物理参数的选择突出的作用，电子预热注入和随后的加速粒子在高马赫数冲击。模拟结果表明，早期发病的扩散冲击加速过程中的电子和离子在一个高度倾斜的亚光速冲击的证据。$\lesssim 5\%$的离子加速效率在后期测量，尽管这不是饱和值。
2021-10-19 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Ion shock acceleration by large amplitude double layers in laser-produced plasmas
建立了激光等离子体中离子冲击加速的动力学模型。一小部分的温暖的离子被加速的大振幅的单调电位的双层创建由于等离子体压缩和电子加热的激光。发现大振幅双电层的振幅几乎唯一地由电子温度定义。因此，电子加热和等离子体压缩之间的平衡是必要的最佳离子加速通过该方案。典型的单调激波的马赫数接近1.5。该方案可能产生相对能量分布小于1%的单能离子。该模型与最近的模拟和实验，有效的冲击加速和生产的单能质子已被观察到。与其他冲击模型的相似之处和不同之处进行了指出和讨论。
2014-02-21 physics.plasm-ph
Investigating particle acceleration dynamics in interpenetrating magnetized collisionless super-critical shocks
碰撞无碰撞激波出现在各种各样的天体物理现象中，被认为是宇宙中粒子加速的可能来源。我们以前研究过单个超临界激波（其磁声马赫数高于临界值2.7）（Yao等人，2021，2022）以及两个亚临界激波碰撞（Fazzini等人，2022）引起的粒子加速。在这里，我们建议对来自互穿超临界冲击的加速粒子进行测量，以观察这种事件的“锁相效应”（Fazzini et al. 2022）。与单一超临界无碰撞冲击相比，这种效应预计将显著提高能量化离子的能谱。因此，我们预计，在拟议的实验中获得的结果可能会对我们理解宇宙中粒子的离子加速的一种主要来源（热离子的加速，而不是已经充满能量的离子的二次加速机制）产生重大影响。
2022-08-12 physics.plasm-ph
Diffusive shock acceleration at laser driven shocks: studying cosmic-ray accelerators in the laboratory
负责许多天体物理系统的发射的非热粒子谱被认为是通过一阶费米过程（也称为扩散激波加速）来自激波。同样的机制也被广泛认为是高能宇宙射线产生的原因。随着人们对激光等离子体中无碰撞激波物理的兴趣日益增长，在受控实验室中再现和检测激波加速度的可能性应该被考虑。必须满足的各种实验限制进行审查。它表明，几个目前正在运行的激光设施可能满足必要的标准，以确认发生的扩散冲击加速的电子在激光产生的冲击。在实验室中成功再现费米加速可以打开一系列的可能性，提供对发生在宇宙射线的天体物理源附近的复杂等离子体过程的深入了解。
2012-11-15 astro-ph.HE physics.plasm-ph
A mechanism that could stop the acceleration process within a collisionless shock
本文通过稳定性分析，将激波宽度与加速粒子谱及密度比关联，发现上游加速粒子比例达约30%时，无碰撞激波加速过程可能终止。
2024-12-17 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Particle acceleration at magnetized, relativistic turbulent shock fronts
本文首次通过模拟证明，在轻度相对论性磁化正负电子对激波中，强湍流可在超光速位形下重新激活粒子加速，并产生幂律谱，且高磁化时湍流随机加速可取代激波加速。
2023-07-03 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Quasi-perpendicular shock acceleration and TDE radio flares
光学潮汐扰动事件（TDEs）的延迟射电耀斑表明伴随TDEs的非相对论外流的存在。在环形磁场的存在下，TDE流出物与周围环核介质的相互作用产生准垂直激波。由于大的激波速度和大的流出速度，我们发现，由TDE流出诱导的激波加速通常会导致陡峭的粒子能谱，幂律指数显着大于平行激波的“通用”指数。最近探测到的TDE射电耀斑的同步辐射光谱指数与我们的理论预期是一致的。这表明，准垂直冲击下的粒子加速可能是解释时延效应延迟射电发射的一般加速机制。
2022-06-29 astro-ph.GA astro-ph.HE physics.plasm-ph
Ion dynamics and acceleration in relativistic shocks
采用完全相对论粒子模拟方法，对非磁化等离子体中的无碰撞激波进行了从头算数值研究。示出的冲击的主要特性，集中在粒子加速的影响。从以前的工作与一个独特的数值框架的结果恢复，包括冲击结构和整体加速度的功能。然后利用粒子跟踪技术对粒子的动力学和加速过程进行了详细的分析。我们观察到的能量增长的时间，可以再现的费米机制与减少数量的散射，其中碰撞之间的时间增加的粒子获得能量，平均加速效率是不理想的。对基本物理的深入分析对于理解高能宇宙射线的产生、对天体物理冲击动力学的影响以及随之而来的辐射发射是相关的。
2009-04-03 astro-ph.HE physics.plasm-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
Particle acceleration and magnetic field amplification by relativistic shocks in inhomogeneous media
本文利用三维MHD和测试粒子模拟，发现非均匀介质中相对论激波与致密团块相互作用放大磁场，且上游密度涨落使低能粒子先经下游湍流加速至注入能量，再被激波迅速加速至高能，显著影响粒子加速过程。
2024-05-24 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Dependence of Particle Acceleration Efficiency on Shock Velocity in Weakly Magnetized Electron-Ion Shocks
Columbia University（哥伦比亚大学）；KU Leuven（荷语鲁汶大学）；Flatiron Institute（平托研究所）
研究弱磁化准平行激波中粒子加速，利用二维粒子模拟，发现离子加速效率与激波速度关系及两种主导机制差异，电子加速效率强烈依赖激波速度，还探讨了结果在相关天文现象中的应用。
2026-07-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph
