Collisionless energy transfer in kinetic turbulence: field-particle correlations in Fourier space
在几乎无碰撞的日光层等离子体中，包括太阳风和日冕以及地球的磁层，都普遍观察到湍流。了解湍流脉动能量向颗粒能量传递的无碰撞机制是湍流动力学研究的前沿。从湍流到粒子的无碰撞能量传递可以可逆地发生，导致在最终实现碰撞热化之前粒子速度分布函数（VDFs）中的非热能。利用VDF波动中包含的信息是有价值的。在这里，我们应用一个最近开发的方法的基础上VDFs，场粒子相关技术，一个$β=1$，太阳风，低频Alfvénic湍流模拟，以及解决相空间，以确定在速度空间中的场粒子能量转移。场-粒子相关性揭示了由平行电场介导的能量转移导致离子和电子VDF在平行于磁场的方向上的显著结构化。傅立叶模式表示的离子和电子gyroradii之间的长度尺度表明，能量转移是共振的性质，本地化的朗道共振的速度空间中的每个傅立叶模式。能量转移密切遵循朗道共振速度与变化的垂直波数$k_\perp$和等离子体$β$。在覆盖模拟耗散范围的所有诊断傅立叶模式中观察到与朗道阻尼一致的这种共振签名。
2019-09-05 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Diagnosing collisionless energy transfer using field-particle correlations: gyrokinetic turbulence
确定从弱碰撞磁化等离子体中的湍流波动中提取能量的物理机制对于更完整地表征各种空间和天体物理等离子体的行为是必要的。由于湍流的复杂性质以及观测限制，这种确定是复杂的，主要是这种等离子体的现场测量通常只能在空间中的单个点进行。最近的工作表明，电场和粒子速度分布之间的相关性，从单点测量构建产生的无碰撞阻尼机制的速度依赖的签名。我们扩展这项工作，通过构建场粒子的相关性，使用数据集从单点在强驱动，湍流，电磁gyrokinetic模拟证明，这种技术可以识别在这样的系统中运行的无碰撞机制。的相关性的速度空间结构与预期的共振机制转移能量碰撞湍流系统。这项工作的最终应用激励场粒子相关性的航天器测量在太阳风，最终目标是确定的物理机制，消散磁化等离子体湍流。
2017-05-18 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Spectral properties and energy transfer at kinetic scales in collisionless plasma turbulence
通过对自由衰减等离子体湍流的全动力学模拟，研究了在动力学范围内表征湍流级联的光谱特性和能量交换。我们发现磁场谱在动力学尺度下遵循${k^{-α}\,exp(-λ\, k)}$定律，其中$α\!\simeq\!2.73$和$λ\!\simeq\!ρ_e$（其中${ρ_e}$是电子回旋半径）。在电子速度谱中观察到与$α\!\simeq\!0.94$相同的规律和以$λ\!\simeq\!0.87ρ_e$为特征的指数衰减，但在离子速度谱中没有观察到，离子速度谱在达到电子尺度之前像陡峭的幂律$\sim k^{-3.25}$那样下降。通过分析过滤后的能量转换通道，我们发现，电子相对于离子在驱动磁场动力学在动力学尺度上发挥了主要作用。我们的分析揭示了存在一个间接的电子驱动机制，通道的e.m.能量从大到亚离子尺度比直接非线性尺度到尺度的E.M.能源该机制由三个步骤组成：在第一步骤中，e.m.能量在大尺度下被转换成电子流体流能量;在第二步骤中，电子流体流能量被非线性地向子离子尺度转移;在最后步骤中，电子流体流能量被转换回E.M.。能量在亚离子尺度。这种电子驱动的转移将磁场级联驱动到完全发展的湍流，之后耗散成为主导，并且电子开始从磁场中减去能量，并通过亚离子尺度的压力-应变相互作用将其耗散。
2022-10-11 physics.plasm-ph
Measuring Collisionless Damping in Heliospheric Plasmas using Field-Particle Correlations
提出了一种创新的场-粒子关联技术，该技术使用电磁场和粒子速度分布函数的单点测量来研究与弱碰撞等离子体（如太阳风）中湍流波动的无碰撞阻尼相关的能量从场到粒子的净转移。除了提供场和粒子之间能量转移的局部速率的直接估计之外，它还提供了关于能量转移在速度空间中的分布的重要新信息。这种速度-空间特征可用于确定太阳风中湍流波动衰减的主要无碰撞机制。这种新的场粒子相关技术的应用说明使用简化的情况下，朗缪尔波的朗道阻尼在静电1D-1V伏拉索夫-泊松等离子体，显示该程序既估计本地的能量转移率从静电场的电子，并表明这种相互作用的共振性质。修改的技术，使单点航天器测量的领域和粒子诊断的湍流波动的太阳风碰撞阻尼进行了讨论，产生一种方法，有可能改变我们的能力，最大限度地提高科学回报，从当前和即将到来的航天器任务，如磁层多尺度（MMS）和太阳探测器加任务。
2016-07-06 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-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
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
Compressible Turbulence as a Source of Particle Beams and Ion Bernstein Waves in Collisionless Plasmas
Universität Potsdam（波茨坦大学）；Deutsches Elektronen Synchrotron (DESY)（德国电子同步辐射中心）
通过高分辨率粒子云模拟，研究可压缩湍流如何通过渡越时间阻尼产生超热电子和质子束，并在亚离子尺度激发离子伯恩斯坦波，揭示其在无碰撞等离子体湍流中驱动跨尺度能量传输和动能耗散的核心作用。
2026-05-22 physics.plasm-ph
A Field-Particle Correlation Analysis of a Perpendicular Magnetized Collisionless Shock: I. Theory
无碰撞激波通过将入射超音速等离子体流的能量不可逆地转换为其他形式，包括等离子体热、粒子加速和电磁场能量，在空间和天体物理等离子体中发挥着重要作用。在这里，我们提出了一个理想化的垂直磁化无碰撞冲击场粒子相关技术的应用，以了解能量的传入流到离子和电子能量通过结构的冲击。拉格朗日的观点以下的粒子轨迹，和欧拉的观点观察粒子的分布的净能量之间的连接，阐明了能量传递机制。使用场-粒子相关分析，我们确定的速度-空间签名的冲击漂移加速的离子在冲击脚，以及绝热电子加热通过冲击斜坡的速度-空间签名。
2021-05-26 physics.plasm-ph physics.space-ph
Diagnosing collisionless energy transfer using field-particle correlations: Alfven-Ion Cyclotron Turbulence
我们应用场粒子相关性-一种跟踪电磁场和等离子体粒子之间能量密度传输率的时间平均速度-空间结构的技术-从Alfvén离子回旋加速器湍流的混合Vlasov-Maxwell模拟中获得的数据。在这个系统中的能量传递预计将包括朗道和回旋波粒子共振，不像以前的系统，其中的场粒子相关技术已被应用。在该模拟中，由平行电场$E_\parallel$介导的能量传递速率包括总速率的大约$60\%$，其余部分由垂直电场$E_\perp$介导。平行的电场共振耦合到质子，在整个模拟过程中，在许多点处识别出朗道阻尼的规范双极速度-空间特征。由$E_\perp$介导的能量转移优先与具有$v_{tp} \lesssim v_\perp \lesssim 3 v_{tp}$的粒子耦合，这与回旋加速器扩散平台的预期形成一致。我们的研究结果清楚地表明，场-粒子相关技术可以区分不同的通道的能量转移使用单点测量，即使在多个通道同时作用的点，并可以用来定量地确定每个通道中的粒子的速度。
2020-06-03 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Characterizing Velocity-Space Signatures of Electron Energization in Large-Guide-Field Collisionless Magnetic Reconnection
磁重联对无碰撞等离子体中磁能的释放和粒子的碰撞起着重要的作用。无碰撞磁重联中的能量转移本质上是一个两步过程：电场对粒子的可逆、无碰撞，随后是该能量的碰撞热化，导致不可逆的等离子体加热。利用回旋动力学数值模拟方法研究了二维强引导场无碰撞磁重联中电子自旋的第一步，并首次给出了场-粒子关联（FPC）特征的例子.我们确定这些速度空间签名在x点和排气中，重联几何的区域中，电子的碰撞主要发生。对这些速度空间特征的建模表明，在强引导场限制下，电子的重连通过平行电场对平面外电子流的体加速而发生，平行电场驱动重连，这是重连的非共振机制。我们探讨这些速度空间签名的变化在等离子体β范围$0.01 \le β_i \le 1$。我们的分析超越了等离子体动力学的流体图像，并利用排气区的电子束的动力学特征，提出了一个单点诊断，它可以潜在地识别使用航天器观测的重连排气区。
2021-12-13 physics.plasm-ph
Laboratory evidence for proton energization by collisionless shock surfing
在天体物理环境中，带电粒子可以被无碰撞的冲击波加速到高能量，例如超新星遗迹。通过与磁化的环境介质相互作用，这些冲击可以将能量传递给粒子。尽管越来越多的努力，这些冲击的特点，从卫星测量地球的弓形冲击和强大的数值模拟，基本的加速机制或其组合仍然是广泛的辩论。在这里，我们表明，天体物理相关的超临界准垂直磁化无碰撞冲击，可以在实验室中产生和特点。我们观察到的超临界特性的冲击轮廓，以及从周围的气体到数百千电子伏的质子拾取的能量密度。对实验室实验进行动力学模拟，确定冲击冲浪是质子加速机制。我们的观察结果不仅提供了早期离子通过无碰撞冲击加速的直接证据，而且还突出了这种特殊机制在激励环境离子以进一步加速阶段中所起的作用。此外，我们的研究结果打开了大门，未来的实验室实验调查可能的过渡到其他机制，当增加的磁场强度，或诱导冲击波阵面波纹的效果可能对加速过程。
2021-06-30 physics.plasm-ph
Importance of accurate consideration of the electron inertia in hybrid-kinetic simulations of collisionless plasma turbulence: 1. The 2D limit
在湍流无碰撞空间和天体物理等离子体中，磁能的耗散机制仍然没有得到很好的理解。它的研究需要在无碰撞等离子体湍流的能量传递的有效的动力学模拟。在这方面，混合动力学模拟，其中离子被视为粒子和电子作为惯性流体，最近已经开始吸引显着的兴趣。混合动力学模型通过忽略电子动力学效应来描述离子和电子尺度过程，使得它们与完全动力学等离子体模型相比在计算上要求低得多。混合动力学代码解决离子的弗拉索夫方程（欧拉弗拉索夫混合代码）或作为宏观粒子的离子的运动方程（拉格朗日粒子单元（PIC）混合代码）。他们认为电子流体的惯性使用不同的近似。我们检查这些近似的有效性，采用我们最近大规模并行化的三维PIC混合代码CHIEF，它认为没有任何共同的近似的电子惯性。特别是，我们报告的二维无碰撞等离子体湍流的模拟结果。我们的结论是，使用混合动力学代码，使用近似来描述电子惯性得到的模拟结果需要谨慎解释。我们还讨论了并行可扩展性的首席，据我们所知，第一PIC混合代码，没有近似描述的惯性电子流体。
2022-02-02 physics.plasm-ph
A Field-Particle Correlation Analysis of a Perpendicular Magnetized Collisionless Shock
利用场-粒子关联技术，我们研究了垂直磁化无碰撞激波的1D-2 V连续介质Vlasov-Maxwell模拟中的粒子相互作用。场-粒子相关技术与弗拉索夫方程直接离散化提供的粒子分布函数的高保真度表示相结合，使我们能够确定电磁场与相空间中粒子之间能量交换的细节。我们确定的速度空间签名的冲击漂移加速的离子和绝热加热的电子，由于垂直碰撞无冲击通过构建一个简化的模型，所需的最小成分，以产生所观察到的电子签名的自洽弗拉索夫-麦克斯韦模拟。因此，我们能够完全描述这里考虑的垂直无碰撞冲击的能量转移，并提供预测的应用领域粒子相关技术的航天器测量的无碰撞冲击。
2021-05-26 physics.plasm-ph physics.space-ph
Hybrid simulation of a parallel collisionless shock in the Large Plasma Device
我们提出了二维混合动力学/磁流体动力学模拟计划的激光烧蚀实验中的大型等离子体装置（LAPD）。我们的研究结果，在以前的实验中已被验证的参数的基础上，表明，一个平行的无碰撞冲击可以开始在可用的空间内形成。碳碎片离子以四倍于阿尔芬速度的吹离速度沿磁场方向流动，激发出强烈的磁场波动，最终将其部分动能转移到周围的氢离子。背景等离子体的这种加速和压缩产生了冲击波阵面，它满足朗肯-雨果尼奥条件，因此可以自行传播。此外，我们分析了上游湍流，并表明它是由右手共振不稳定性。
2016-11-19 physics.plasm-ph physics.space-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
Collisionless Larmor Coupling and Blob Formation in a Laser-Plasma Expanding into a Magnetized Ambient Plasma
University of California–Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA), CNRS, École polytechnique, ENSTA, Institut Polytechnique de Paris（应用光学实验室，法国国家科学研究中心，巴黎综合理工学院，ENSTA，巴黎理工学院）；Lawrence Livermore National Laboratory（劳伦斯利弗莫尔国家实验室）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）
研究通过激光驱动超阿尔芬等离子体流在磁化环境中扩展，揭示无碰撞朗之万耦合导致等离子体团块形成的过程及离子加速机制。
2026-02-03 physics.plasm-ph
Simplex-in-Cell Technique for Collisionless Plasma Simulations
我们将最近在无碰撞暗物质流体背景下引入的单胞（SIC）技术（Abel et al. 2012; Hahn et al. 2012）扩展到无碰撞等离子体的情况。六维相空间分布函数$f(\mathbf x,\mathbf v)$由三维流形的集合表示，我们称之为片。通过在均匀网格上求解泊松方程获得电势场，其中电荷密度通过相空间片的空间投影来计算。相空间密度的SIC表示有利于鲁棒性，高精度的数值演化的Vlasov-Poisson系统使用显着较少的示踪粒子比可比的粒子在细胞（PIC）的方法，通过减少与后者相关的数值散粒噪声。我们介绍了SIC制定和描述其实施在一个新的代码，我们验证使用标准的测试问题，包括等离子体振荡，朗道阻尼，和两个流的不稳定性在一维。新方案的优点是包括更高的精度和更快的收敛速度的粒子数。最后，我们激励和概述SIC高维问题的有效应用。
2015-06-23 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Schrödinger equations and fluctuation theorems for collisionless plasma systems
National Institute for Fusion Science（日本核聚变科学研究所）
将无碰撞等离子体系统（线性Vlasov-Poisson和线性回旋动力学系统）的方程转化为薛定谔形式，利用时间反演对称性和随机相对熵建立涨落定理，并推导了随机相对熵的概率密度函数。
2026-10-07 physics.plasm-ph
Collisionless Bulk Electron Heating in Resonant Low-Voltage Capacitively Coupled Plasmas
Institute for Plasma Research（等离子体研究所）；Homi Bhabha National Institute（霍米·巴巴国立研究所）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；Department of Physics, Indian Institute of Science（印度科学学院物理系）；School of Physical Sciences, UM-DAE Centre for Excellence in Basic Sciences, University of Mumbai（孟买大学基础科学卓越中心物理科学学院）
研究共振低压电容耦合等离子体中无碰撞功率吸收，发现体电子加热通过共振增强的射频电场、电子在势阱中的振荡及碰撞散射协同作用产生高能电子尾，显著提高电离率。
2026-06-08 physics.plasm-ph
Collisionless filamentation, filament merger and heating of low-density relativistic electron beam propagating through a background plasma
由于韦伯不稳定性，冷电子束在背景等离子体中的传输过程会发生畸变。如果初始束半径比电子趋肤深度大，并且束密度比背景等离子体密度小得多，则多个细丝多次合并。由于这一非绝热过程，初始冷束的束垂直能量增长，直到所有细丝聚结成一个束半径远小于初始半径且小于电子趋肤深度的箍缩束。它是通过粒子在细胞中的模拟表明，一个显着的分数的光束是不捏的磁力的捏束，并填补了大部分的等离子体区域。所得的电子束能量在垂直方向上的分布接近于体电子的麦克斯韦分布。然而，有显着偏离麦克斯韦低和高的垂直能量（深陷和未陷电子）。建立了描述束流束流密度分布和束流周围大的低密度晕的解析模型，并在此基础上计算了束流纵向动能向横向动能、自磁场和等离子体电子的能量转移。理论分析结果与粒子模拟结果吻合较好。
2011-09-01 physics.plasm-ph
Linearized model Fokker-Planck collision operators for gyrokinetic simulations. II. Numerical implementation and tests
提出了陀螺动力学模拟中理想耗散格式的一组关键性质，并描述了满足这些性质的模型碰撞算子的实现。该算子基于精确线性化的测试粒子碰撞算子，近似保持守恒律和H-定理的场粒子项。它包括能量扩散，俯仰角散射，和有限拉莫尔半径效应对应的经典（实空间）扩散。在连续体陀螺动力学代码GS 2的数值实现是完全隐式的，并保证确切的满足守恒性质。数值结果表明，正确的物理被捕获的整个范围内的碰撞，从碰撞到强碰撞制度，而不诉诸人工耗散。
2008-09-29 physics.plasm-ph
Quantum Calculation of Classical Kinetic Equations: A Novel Approach for Numerical Analysis of 6D Boltzmann-Maxwell Equations in Collisionless Plasmas Using Quantum Computing
本研究提出一种求解6D无碰撞等离子体玻尔兹曼-麦克斯韦方程的新型量子算法，由玻尔兹曼与麦克斯韦求解器构成，各含编码、传播、积分步骤，经IBM Qiskit实现并与经典方法并行验证，可加速该方程的大规模计算。
2023-06-09 physics.plasm-ph physics.space-ph quant-ph
Reduction of compressibility and parallel transfer by Landau damping in turbulent magnetized plasmas
采用线性Landau阻尼和有限Larmor半径（FLR）修正的FLR-Landau流体模型，对磁化等离子体中的衰减湍流进行了三维数值模拟。结果表明，与可压缩Hall-MHD的模拟相比，线性朗道阻尼是负责显着的磁声波阻尼，这是一致的线性动力学理论。当β参数不太小时，流体的可压缩性和沿环境磁场的平行能量级联也被显著抑制。与Hall-MHD相比，FLR-Landau流体模型可以正确地描述无碰撞等离子体（如太阳风）中的湍流，从而解释其几乎不可压缩的行为。
2011-09-12 physics.plasm-ph
Acceleration of Heavy Ions at Non-Relativistic Collisionless Shocks
The University of Chicago（芝加哥大学）；Princeton University（普林斯顿大学）；Columbia University（哥伦比亚大学）；University of Hawaii（夏威夷大学）
本研究通过二维混合模拟探究非相对论无碰撞激波中重离子的扩散激波加速过程，发现重离子优先加速、可放大磁场并增强强子辐射，为天体物理激波建模提供了新依据。
2025-10-29 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Decomposition of Plasma Kinetic Entropy into Position and Velocity Space and the Use of Kinetic Entropy in Particle-in-Cell Simulations
我们描述了一个系统的发展动力学熵的诊断完全动力学粒子在细胞（PIC）模拟和使用它来解释等离子体物理过程中的日光层，行星和天体物理系统。首先，我们以两种形式计算动力学熵--与每个宏观态的微观态数的对数相关的“组合”形式和与$f \ln f$相关的“连续”形式，其中$f$是粒子分布函数。我们讨论了各自的优缺点，并讨论了在PIC代码中实现它们的微妙之处。使用位置空间中的二维和速度空间中的三维的无碰撞PIC模拟，我们验证了动力学熵诊断的实施，并讨论如何优化数值参数以确保准确的结果。在反平行磁重联的优化模拟中，我们发现总的动力学熵守恒到3%。动力学熵可以分解为一个位置空间熵和一个速度空间熵之和，我们用它来研究无碰撞重联过程中动力学熵输运的性质。我们发现在磁重联过程中，由于等离子体的加热，电子和离子的速度空间熵随时间增加，而位置空间熵则由于等离子体的压缩而减小。该项目使用无碰撞模拟，因此它不能解决物理耗散机制;尽管如此，这里开发的基础设施应该对碰撞或弱碰撞日光层，行星和天体物理系统的研究有用。除了重联，诊断预计将适用于等离子体湍流和无碰撞冲击。
2019-08-23 physics.plasm-ph
Electron inertia effects in 3D hybrid-kinetic collisionless plasma turbulence
本研究使用无近似实现电子惯性的CHIEF代码进行3D混合动力学PIC模拟，发现电子惯性在限制电子尺度及以上的电流密度最大值并主导最强电流片电场方面起关键作用。
2023-09-12 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Cascades and Dissipative Anomalies in Nearly Collisionless Plasma Turbulence
我们发展了在碰撞率为零的极限下由Vlasov-Maxwell-Landau方程控制的动力学等离子体湍流的第一性原理理论。在Onsager开创的精确重整化群方法之后，我们证明了在1粒子相空间中存在一个“无碰撞范围”的尺度（长度和速度），其中理想的Vlasov-麦克斯韦方程组在“粗粒度意义上”得到满足。然而，由于非线性熵级联，在该范围内熵守恒可能被“耗散异常”所违反。我们推导出“4/5定律”型表达式的熵通量，这使我们能够表征其非零所需的奇点（结构函数标度指数）。在无碰撞极限下，质量、动量和能量守恒定律不受反常转移的影响。然而，在随后的限制小gyroradii，异常的贡献，惯性范围内的能量平衡可能会出现由于级联的散装能源和湍流的再分配的内能在相空间。在同样的限制下，从粒子动量平衡导出的“广义欧姆定律“简化为“理想欧姆定律“，但只是在粗粒度的意义上，不意味着磁通量冻结，并允许在所有惯性范围尺度下的磁重联。我们比较我们的结果与先前的理论的基础上的gyrokinetic（高陀螺频率）的限制，数值模拟，航天器测量的太阳风和地球磁层。
2018-09-28 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.plasm-ph
Kinetic Simulations of Strongly-Magnetized Parallel Shocks: Deviations from MHD Jump Conditions
激波是天体物理等离子体系统中普遍存在的一种现象，也是能量耗散和传递的重要过程。这些冲击波的物理经常被视为/模拟为碰撞，流体MHD不连续性，尽管事实上，许多冲击发生在无碰撞制度。有鉴于此，使用完全动力学，非相对论，平行传播的电子-正电子等离子体组成的无碰撞冲击的三维模拟，我们详细的偏差无碰撞冲击形式MHD预测不同的磁化/Alfvénic马赫数，特别关注系统的Alfénic马赫数远小于声波马赫数。我们表明，冲击压缩比降低足够大的上游磁场，与Bret & Narayan（2018）的预测一致。此外，我们还研究了磁场强度对冲击波阵面宽度的影响。这项工作加强了越来越多的工作，这些工作表明，仅用流体等离子体描述来建模许多天体物理系统忽略了潜在的重要物理。
2021-10-18 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Transverse electric conductivity in quantum degenerate collisional plasma in Mermin approach
推导了量子碰撞等离子体中横向电导的计算公式。采用了弛豫法中动量空间的动力学方程。结果表明，当普朗克常数趋于零时，导出的公式转化为经典公式。它还表明，当电子碰撞频率趋于零（即等离子体变得无碰撞），电导公式转移到已知的公式由Lindhard早先推断。
2012-07-16 physics.plasm-ph quant-ph
A Magnetothermodynamic Theory of Energy Transport In Collisionless Plasmas
Climate and Space Sciences and Engineering, University of Michigan（气候与空间科学与工程学系，密歇根大学）
本文提出一种从时间箭头视角出发的概念框架，将等离子体各子系统热力学关联，引入电热力学与磁热力学输运机制，推导临界尺度，探讨其对重联起始问题的潜在相关性。
2026-10-15 physics.plasm-ph physics.space-ph
Phase space dynamics of unmagnetized plasmas: collisionless and collisional regimes
本研究通过欧拉静电动力学模拟，利用傅里叶-埃尔米特变换分析无磁化等离子体的相空间自由能传递，揭示了无碰撞与碰撞机制下自由能级联的差异，并推导了含碰撞耗散的精确守恒定律。
2023-10-11 astro-ph.IM physics.plasm-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
Mediation of Collisionless Turbulent Dissipation Through Cyclotron Resonance
本研究基于太阳风观测发现离子回旋波是大尺度电磁涨落耗散的主要途径，并提出由交叉螺旋度控制的“螺旋度势垒”机制，解释无碰撞等离子体加热路径差异。
2023-06-08 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Nonlinear spectral back transfer limits the temporal coherency of zonal modes
University of California San Diego（加州大学圣迭戈分校）
本文研究了非线性频谱反向转移如何限制zonal模的时域相干性，通过gyrokinetic GENE模拟发现反向转移事件导致zonal剪切的随机相位和幅度散射，从而限制其自相干时间，并指出非线性频谱反向转移是关键的非线性阻尼机制。
2026-10-22 physics.plasm-ph
Kinetic Solvers with Adaptive Mesh in Phase Space for Low-Temperature Plasmas
我们描述了实现1d 1v和1d 2 v Vlasov和福克-普朗克动力学求解器与自适应网格细化相空间（AMPS）和耦合这些动力学求解器的泊松方程求解器电场。我们表明，耦合AMPS动力学和静电求解器可以有效地完成，而不分裂相空间传输。我们表明，欧拉流体和动态自适应笛卡尔网格的动力学求解器可以用于模拟无碰撞等离子体膨胀到真空。Vlasov-Fokker-Planck求解器被证明用于分析电子在空间非均匀电场中的加速和散射以及逃逸电子的产生。
2018-09-13 physics.plasm-ph
Performance-portable GPU acceleration of the hybrid particle-in-cell code dHybridR
The University of Chicago（芝加哥大学）；Cerebras Systems（Cerebras系统）；Enrico Fermi Institute, The University of Chicago（芝加哥大学恩里科·费米研究所）
针对大规模三维混合粒子云模拟的高计算成本，本文提出dHybridR的性能可移植GPU实现，结合OpenMP卸载与SYCL内核，在Aurora和Frontier上实现86%-97%弱扩展效率，吞吐量提升32倍，能耗降低90%，显著降低计算门槛。
2026-09-24 astro-ph.HE physics.comp-ph physics.plasm-ph
Pressure-Strain Interaction as the Energy Dissipation Estimate in Collisionless Plasma
弱碰撞等离子体中的耗散机制是一个贯穿了几十年的研究课题，但没有一个一致的解决方案。我们比较了几个能量耗散的估计等离子体湍流中的能量传递过程的基础上，并提供了理由的压力-应变相互作用的能量耗散率的直接估计。在2.5D和3D动力学模拟的全球和规模的能量平衡检查。我们发现，全球的内能增加和每个物种的温度提高直接跟踪的压力-应变相互作用。压力-应变相互作用的不可压缩部分在所有考虑的模拟中占主导地位。通过尺度滤波的Vlasov-麦克斯韦方程组（一种动力学等离子体方法）和滞后相关的von Kármán-Howarth方程（一种基于流体模型的方法）来量化逐尺度能量平衡。我们发现，能量平衡是完全满足所有尺度，但缺乏一个定义良好的惯性范围的影响，在惯性范围内的不同条款之间的能量预算的分布。因此，广泛使用的Yaglom关系估计耗散率是值得怀疑的，在某些情况下，特别是当系统中的尺度分离没有明确定义。与此相反，压力-应变相互作用平衡的耗散率在动力学尺度，无论尺度分离。
2022-02-04 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The CHIMERAS Project: Design Framework for the Collisionless HIgh-beta Magnetized Experiment Researching Astrophysical Systems
CHIMERAS 项目旨在设计下一代实验室设施，首次在地面产生无碰撞、高离子 beta（β_i ≳ 1）的磁化等离子体，以研究天体物理系统中能量和动量跨尺度输运的湍流级联与动理学不稳定性机制。
2025-05-09 astro-ph.GA astro-ph.IM astro-ph.SR
Small-amplitude Compressible Magnetohydrodynamic Turbulence Modulated by Collisionless Damping in Earth's Magnetosheath: Observation Matches Theory
本研究利用Cluster卫星数据首次观测证实无碰撞阻尼调制地球磁鞘中小振幅可压缩MHD湍流，分解三种模式并揭示其对各向异性的影响，观测与理论相符。
2024-02-08 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Direct Measurement of Diffusion Coefficients: Evidence for Diffusive Stochastic Heating in Collisionless Plasmas
University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；Space Sciences Laboratory, University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校空间科学实验室）；Department of Physics & Astronomy, University of New Hampshire（新罕布什尔大学物理与天文学系）；Lunar and Planetary Laboratory, University of Arizona（亚利桑那大学月球与行星实验室）；The Blackett Laboratory, Imperial College London（帝国理工学院布莱克特实验室）
研究利用帕克太阳探测器观测低β流，通过反转质子引导中心方程测量扩散系数，计算加热率，以识别无碰撞等离子体中加热过程，为近太阳太阳风存在类似福克 - 普朗克扩散过程提供证据。
2026-07-14 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Local energy transfer rate and kinetic processes: the fate of turbulent energy in two-dimensional Hybrid Vlasov-Maxwell numerical simulations
本文通过对二维混合Vlasov-Maxwell数值模拟（HVM）的分析，探讨了无碰撞等离子体中惯性范围内湍流能量级联与小尺度动力学过程之间跨尺度联系的本质。首先证明了成对变量之间的相关性，包括与动力学过程和麦克斯韦分布偏差有关的变量。然后，描述了LET的一般性质和统计标度律，证实了其描述湍流叶栅的可靠性，并揭示了其纹理拓扑。最后，这样的代理和诊断变量之间的连接进行了探讨，使用条件平均，显示几个数量的增强，在存在大的正能量通量，并减少附近的网站的负通量。这些观测可以帮助确定哪些过程参与了小尺度的能量耗散，例如离子回旋或镜面不稳定性通常与温度的垂直各向异性相关。
2018-03-05 physics.plasm-ph physics.space-ph
Phase-space entropy cascade and irreversibility of stochastic heating in nearly collisionless plasma turbulence
本文研究近无碰撞等离子体中随机电场导致的测试粒子加热，揭示 $C_2$ 在位置与速度空间的相空间熵级联、谱标度及其使随机加热不可逆的机制。
2024-06-14 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Phase-Space Energy Transfer of Wave-Particle Interactions using the Field-Particle Correlation Technique and Linear Plasma Theory with JET-PLUME
University of Iowa（爱荷华大学）；Naval Research Laboratory（海军研究实验室）；University of Arizona（亚利桑那大学）；Princeton University（普林斯顿大学）
针对波-粒子相互作用中能量转移难以全面表征的问题，提出JET-PLUME扩展方法，通过解析傅里叶空间场-粒子关联公式，分离共振贡献并揭示新物理机制。
2026-06-23 physics.plasm-ph
Resolving velocity space dynamics in continuum gyrokinetics
许多天体物理和聚变团体感兴趣的等离子体是弱碰撞的。在这样的等离子体中，小尺度可以在粒子速度的分布中发展，潜在地影响可观测的量，例如湍流通量。因此，在陀螺动力学仿真中有必要监控速度空间分辨率。在本文中，我们提出了一套计算有效的诊断测量速度空间分辨率的陀螺动力学模拟，并将其应用到一系列的等离子体物理现象使用连续体陀螺动力学代码GS 2。对于这里考虑的情况下，它被发现，使用的碰撞性或低于实验值允许等离子体动力学的分辨率与相对较少的速度空间网格点。此外，我们描述了一个自适应的碰撞频率，可用于提高速度空间分辨率的碰撞制度，其中的结果预计是独立的碰撞频率的实现。
2009-07-25 physics.plasm-ph
Kinetic simulations of the interruption of large-amplitude shear-Alfvén waves in a high-beta plasma
使用二维混合动力学模拟，我们探讨了非线性的“中断”的驻波和行波剪切阿尔芬波在无碰撞等离子体。中断涉及一种自生压力各向异性，消除了线性极化Alfvénic扰动的回复力，并发生在波振幅$δB_{\perp}/B_{0}\gtrsim β^{\,-1/2}$（其中$β$是热压力与磁压力之比）。我们使用高度拉长的域，以获得波和离子陀螺仪之间的最大规模分离。对于振幅极限以上的驻波，我们发现波的大尺度磁场迅速衰减。的动力学的强烈影响的激发斜消防水龙带模式，过渡到长寿命的平行波动的离子陀螺仪，并导致显着的粒子散射。行波衰减得更慢，但也受到水龙带模式衰减产生的小尺度平行波动的影响。我们的结果表明，无碰撞等离子体不能支持线性偏振阿尔文波以上$δB_{\perp}/B_{0}\sim β^{\,-1/2}$。他们还提供了一个生动的说明低碰撞等离子体动力学的两个关键方面：（一）在调节等离子体动力学在高$β$的速度空间不稳定性的重要性，以及（二）如何非线性碰撞无过程可以直接从最大尺度的机械能转化为热能和微尺度波动，而不需要一个规模的规模湍流级联。
2017-12-13 astro-ph.CO astro-ph.HE physics.plasm-ph
Energy transport during 3D small-scale reconnection driven by anisotropic plasma turbulence
无碰撞等离子体中的能量耗散是一个长期存在的基本物理问题。虽然众所周知，磁重联和湍流耦合和传输能量从系统尺度到亚质子尺度，能量分布和能量耗散渠道的细节仍然知之甚少。特别是，与三维（3D）的小尺度重联发生的湍流级联的结果是未知的能量传递和运输。我们使用一个显式的完全动力学的粒子在细胞中的代码来模拟三维小尺度磁重联事件中形成的各向异性和Alfvénic衰减湍流。我们确定了一个高度动态和不对称的重联事件，涉及两个重联通量绳。我们使用基于玻尔兹曼方程的双流体方法来研究与重联事件相关的空间能量传递，并将双流体能量方程中的功率密度项与标准的基于能量的阻尼，加热和耗散代理进行比较。我们的研究结果表明，电子体流传输热能密度比动能密度更有效。此外，在我们的湍流重联事件中，能量密度转移是由等离子体压缩。这与湍流流片和湍流重联事件一致，但与层流重联不一致。
2022-08-03 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
A Deep Dive into the Distribution Function: Understanding Phase Space Dynamics with Continuum Vlasov-Maxwell Simulations
在无碰撞和弱碰撞等离子体中，粒子分布函数是一幅丰富的基础物理挂毯。然而，实际上利用粒子分布函数来理解弱碰撞等离子体的动力学是具有挑战性的。相关的方程系统，即Vlasov-Maxwell-Fokker-Planck（VM-FP）方程系统，难以数值积分，并且传统方法如粒子网格法将计数噪声引入分布函数。在这篇论文中，我们提出了一个新的算法来离散VM-FP方程组，以研究动力学区域中的等离子体。采用间断Galerkin（DG）有限元方法进行空间离散，采用三阶强稳定性Runge-Kutta方法进行时间离散，得到了等离子体时空分布函数的精确解。我们都证明了数值方法保留了VM-FP系统的关键物理特性，如能量守恒和热力学第二定律，并以数值方式证明了这些特性。这些结果的背景下，在历史上的DG方法。我们讨论了算法的重要性是别名的自由，一个必要条件，推导出稳定的DG计划的动力学方程，以保持隐式的守恒关系嵌入在粒子分布函数，和计算有利的实施方式，使用一个模式，正交基础比较传统的DG方法应用于计算流体动力学。最后，我们演示了如何高保真表示的分布函数，结合新的诊断，允许详细分析的基本等离子体过程，如无碰撞冲击中的碰撞机制。
2020-05-27 astro-ph.SR cs.NA math.NA
