Parallel transport modeling of linear divertor simulators with fundamental ion cyclotron heating
材料等离子体暴露实验（MPEX）是一种稳态线性装置，其目标是在未来聚变反应堆相关条件下进行等离子体材料相互作用（PMI）研究。MPEX的原型称为Porto-MPEX，旨在对计划中的完整MPEX设备进行与源，加热和运输概念相关的研究和开发。MPEX中的辅助加热方案基于利用射频（RF）波的回旋共振加热。MPEX中的离子回旋加热（ICH）和电子回旋加热（ECH）用于独立地加热离子和电子，并在材料靶处提供范围从鞘层限制到完全分离的偏滤器状态的聚变偏滤器条件。开发了混合颗粒细胞代码- PICOS++，并应用于了解MPEX Proto-MPEX中ICH加热过程中血浆平行转运至靶点。利用该工具，在存在（1）库仑碰撞、（2）体积粒子源和（3）基于准线性RF的ICH的情况下，对MPEX/Proto-MPEX离子的分布函数的演变进行建模。该代码的基准测试实验数据从原型MPEX和模拟数据从B2.5 EIRENE。通过使用PICOS++建模的基于物理的参数，证明并解释了在ICH加热期间在Proto-MPEX和MPEX中目标附近密度下降的实验观察结果。事实上，在Proto-MPEX/MPEX中，在ICH期间密度在目标处下降，以保存通量并补偿ICH期间增加的流量。此外，各种等离子体参数相对于ICH功率的灵敏度扫描进行MPEX等离子体传输和粒子和能量通量在目标上的作用进行调查。最后，我们讨论的途径，以模拟ECH…
2022-09-20 physics.plasm-ph
Investigation of the effectiveness of non-inductive `multi-harmonic' electron cyclotron current drive through modeling multi-pass absorptions in the EXL-50 spherical tokamak
在高电流驱动效率的背景下，多个电子回旋共振（ECR）谐波的有效性已被彻底研究，通常在由电子回旋（EC）波供电的低纵横比EXL-50球形托卡马克（ST）的完全无感操作中观察到。在相对论非线性库仑碰撞和准线性扩散算符的稳态下，数值求解Fokker-Plank方程，得到电子分布函数，用于计算注入EC波驱动的等离子体电流.对于特殊的EC波，模拟结果揭示了一种机制，通过这种机制，电子周围的冷二次谐波ECR层强烈共振高次谐波通过相对论多普勒频移共振条件。实际上，在模拟中，在输入EC波功率的一定值以上，这一特征是明显的，表明它是一种非线性现象。与实验观察相似，通过在我们的模拟模型中考虑多通滤波，在对EXL-50的典型低密度（$\sim 1\times10^{18}~m^{-3}$）、低温（$\lesssim 100$ eV）等离子体的模拟中确实发现了电流驱动的高效率（超过1 A/W）。然而，在单通道和多通道模拟的普通EC波研究中没有发现这种特性，这表明它在我们的ST器件上驱动电流的效率很低。
2021-09-09 physics.plasm-ph
Electron-ion binary collisions in the presence of a magnetic field
从电子的无扰螺旋运动出发，用二阶微扰理论研究了离子和电子在外加磁场中的二元碰撞。计算中采用了一种对任何磁场强度都一致有效的改进的BC方法，并在不指定相互作用势的情况下，在Fourier空间中处理了相互作用中的二阶能量和速度传递。能量转移是明确计算的正则化和屏蔽势，这是有限范围和更少的奇异比库仑相互作用在原点和极限情况下涉及德拜（即，屏蔽）和库仑势。文中详细考虑了两种特殊情况：（1）离子平行于任意强度的磁场运动。能量转移涉及电子回旋运动的所有谐波。(ii)当电子回旋半径远小于其他特征长度尺度（例如，屏蔽长度、电子螺旋的节距等）。在后一种情况下，能量转移接受两个贡献，这是负责电子引导中心和回旋加速器轨道扰动。
2006-11-11 physics.gen-ph physics.plasm-ph
Adaptive time-stepping Monte Carlo integration of Coulomb collisions
我们报告了一个方便和强大的工具，用于评估库仑碰撞对服从Maxwell-Jüttner统计的等离子体中的测试粒子的影响。该实现是基于Beliaev-Budker碰撞积分，它允许测试粒子和背景等离子体是相对论的。该积分方法支持自适应时间步长，大大提高了计算效率。在三维粒子动量空间和五维导引中心相空间中均采用了蒙特卡罗方法。详细描述了操作符的物理和实现。重点是在自适应积分的随机微分方程，这是一个被忽视的方面，在现有的Monte Carlo实现库仑碰撞算子。我们验证了我们的运营商收敛到已知的分析结果，并表明不小心实施的自适应时间步长可能会导致严重错误的结果。该运算符是作为一个独立的Fortran 95模块提供的，可以包含在现有的轨道跟踪工具中，跟踪完整的拉莫尔运动或引导中心动力学。自适应时间步进算法预计是有用的碰撞频率变化很大的情况下，在整个过程中的模拟。例子包括聚变产物或其他快离子的减速，以及逃逸电子的德莱塞生成，以及用离子或电子回旋共振加热生成快离子或电子。
2017-01-18 physics.plasm-ph
Open Microwave Cavity for use in a Purcell Enhancement Cooling Scheme
本文描述了一种微波腔，它可以用来冷却轻子等离子体，以用于反氢的合成。冷却方案是珀塞尔效应的体现：当等离子体耦合到微波腔时，等离子体冷却速率通过增加回旋辐射的自发发射而共振增强。该腔形成了彭宁-马尔姆伯格阱的三电极部分，并具有凸出的圆柱形几何形状，其开口端与磁捕获轴对齐。这允许在不需要移动部件的情况下将等离子体注入腔体和从腔体移除，同时保持谐振模式的高品质因数。该腔体包括独特的表面准备，用于调整腔体品质因数并分别使用镍铬铁合金和胶体石墨薄层实现防静电屏蔽。讨论了具有强冷却能力和低平衡等离子体温度的腔的几何设计考虑。这种弱凸起设计的空腔将适用于需要开放几何形状的许多情况。
2016-09-09 physics.ins-det physics.plasm-ph
Dissipation of parallel and oblique Alfvén-cyclotron waves: implications for minor ion heating in the solar wind
我们进行2.5D的混合模拟与无质量的流体电子和动力学粒子在细胞中的离子研究的时间演变的离子温度，温度各向异性和速度分布函数的耗散和湍流演化的宽带光谱的平行和倾斜传播的阿尔文回旋波。本文的目的是研究平行和倾斜阿尔文回旋波在观测到的快速太阳风中的小离子加热和加速中的相对作用。我们考虑无碰撞均匀多物种等离子体，包括等温电子，各向同性质子和一个小组件的漂移$α$粒子在一个有限的$β$快速流在地球附近。动力学离子的建模最初各向同性麦克斯韦速度分布函数，开发非热功能和温度各向异性时，宽带频谱的低频非共振，$ω\leq 0.34 Ω_p$，阿尔文回旋波施加在开始的模拟。初始等离子体参数值，如离子密度、温度和相对漂移速度，由\textit{Wind}航天器在1天文单位进行的快速太阳风观测提供。施加的宽带波谱是左旋偏振的，类似于太阳风中Alfvénic湍流的\textit{Wind}测量。所有情况下施加的磁场波动都在太阳风湍流的惯性范围内，并具有Kraichnan型谱斜率$α=-3/2$。我们改变从$θ= 0^\circ$到$θ=30^\circ$和$θ=60^\circ$的传播角度，并发现小离子加热是最有效的高度倾斜波传播在$60^\circ$，而质子表现出垂直冷却在所有的传播角度。
2015-06-17 physics.plasm-ph physics.space-ph
Sympathetic cooling of $^4$He$^+$ ions in a radiofrequency trap
我们在线性射频阱中，通过激光冷却$^9$ Be $^+$的感应冷却，制备了超冷$^4$ He $^+$离子的库仑晶体。获得了在$\sim$ 20 mK下含有多达150个局部He $^+$离子的稳定晶体。系综或单个超冷He $^+$离子为进行QED的精确测试和核半径的测量开辟了有趣的前景。本工作还表明了用$^9$ Be $^+$作为冷却剂冷却和结晶高电荷原子离子的可行性。
2004-12-09 physics.atom-ph 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
Cooling force on ions in a magnetized electron plasma
电子冷却是改善储存环中离子束相空间质量的有效方法。在离子和电子束的共同静止坐标系中，离子受到拖曳力，并且其经历能量的损失或增益，这最终减小了离子束的能量扩散。由于电子速度分布是各向异性的，并且冷却过程发生在引导电子的磁场中，因此该过程的计算是复杂的。在本文中的冷却力计算的离子和磁化的电子之间的二进制碰撞（BC）的模型中，库仑相互作用被处理到二阶作为扰动的螺旋运动的电子。该理论对任何强度的磁场都是一致有效的，并且在傅立叶空间中的相互作用中处理了二阶两体力，而没有指定相互作用势。冷却力的显式计算的正则化和屏蔽的潜力，这是有限的范围和更少的奇异性比库仑相互作用在原点。本文导出了单色电子束的封闭表达式，它与电子和离子的速度分布折叠。所得到的冷却力的各向异性麦克斯韦速度分布的电子和离子进行评估。
2013-07-04 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Ion cyclotron resonance heating systems upgrade toward high power and CW operations in WEST
WEST（稳态托卡马克中的钨-W环境）离子回旋共振加热天线的设计是基于先前测试的共轭T共振双环原型配备内部真空匹配电容器。正在与ASIPP密切合作，在IRFM和ASIPP之间的聚变领域的联合实验室的框架内，设计和建造三个新的WEST ICRH天线。与等离子体的耦合性能和负载容限得到了改善，同时通过在整个天线中引入水冷来增加连续波操作能力。在发电机侧，高功率四极管的操作等级从AB变为B，以便在更高的VSWR（高达2：1）下允许高功率操作（每个天线高达3 MW）。通过提高腔击穿电压，也提高了发生器的可靠性。控制和数据采集系统也进行了升级，以解决和应对快速事件，如ELM。一种新的光学电弧检测系统是对V r /V f和SHAD系统的补充。
2016-03-04 physics.ins-det physics.plasm-ph
Radiative cooling induced coherent maser emission in relativistic plasmas
本文通过从头算高分辨率动理学模拟，首次揭示强磁化介质中经历同步辐射冷却的相对论性等离子体可经由电子回旋脉泽不稳定性自发产生相干线偏振辐射，且辐射损失延长了相干放大持续时间，为脉冲星发射和快速射电暴等天文现象提供了新解释。
2024-09-27 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Ion Temperature Evolution in an Ultracold Neutral Plasma
我们使用空间分辨的激光诱导荧光光谱研究了膨胀超冷中性等离子体中离子温度的长期演化。绝热冷却在等离子体膨胀期间将离子温度降低一个数量级，至低至0.2K的温度。冷却受到离子和更热的电子之间的热交换的限制。我们还提出了一个额外的加热机制的证据，并讨论了可能的来源。数据描述的等离子体演化的模型，包括离子-电子热交换的影响。我们表明，适当的初始条件下，在膨胀过程中的等离子体中的离子的库仑耦合的程度增加。
2015-01-27 physics.plasm-ph
General Formulation of Coulomb Explosion Dynamics of Highly Symmetric Charge Distributions
我们提出了一种理论方法来研究球形，圆柱形和椭球形的电荷分布下的自库仑场和随机力，由于碰撞和随机运动的带电粒子的动力学。该方法基于从电荷-电流连续性方程中找到电荷分布的电流密度并确定粒子的漂移速度。后者既可用于导出系统的拉格朗日量，也可用于写出具有洛伦兹力的牛顿运动方程。我们发展了一个动力学理论，包括随机力，由于电子的随机运动到我们的模型。为了证明我们的方法的有效性，我们将其应用于各种电荷分布，并将我们的结果与N体模拟进行比较。我们表明，我们的方法再现了著名的发射度项的包络方程的均匀的球形和圆柱形的电荷分布与正确的系数。我们利用我们的模型的引力坍缩的理想气体以及回旋动力学的圆柱形电荷分布在一个均匀的磁场，并提出了一种方法来测量电子束的发射度。
2022-02-11 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Magnetic Reconnection with Radiative Cooling. I. Optically-Thin Regime
磁重联是一种基本的等离子体过程，与磁能的快速耗散有关，被认为是实验室等离子体装置、地球磁层和日冕中许多破坏性现象的动力。传统的重联研究，针对这些相当脆弱的环境，有理由忽略了辐射的重联过程中的影响。然而，在高能天体物理学中的许多重连系统中（例如，吸积盘日冕、相对论性喷流、磁星耀斑），而且在强大的激光等离子体和z箍缩实验中，能量密度非常高，以至于辐射，特别是辐射冷却，可能开始发挥重要作用。这一观察激发了高能量密度辐射磁重联理论的发展。作为实现这一目标的第一步，我们在本文中提出了一个简单的Sweet-Parker非相对论连续MHD重联与强辐射冷却的理论。首先，我们展示了如何在没有引导磁场的情况下，强烈的冷却会导致重联层中等离子体的强烈压缩，从而导致更高的重联率。压缩比和层温度由欧姆加热和辐射冷却之间的平衡决定。辐射冷却层中的较低温度导致较高的斯皮策电阻率，因此导致重联率的额外增强。然后，我们将我们的一般理论应用到几个特定的天体物理学重要的辐射过程（韧致辐射，回旋加速器，逆康普顿）在光学薄制度，为零和强引导场的情况下。我们推导出的关键重连参数，包括重连率的具体表达式。我们还讨论了我们的理论的适用性的限制和条件。
2010-07-05 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Influence of electron-ion collisions on Coulomb crystallization of ultracold neutral plasmas
虽然由弹性电子-离子碰撞的离子加热可以被忽略用于描述自由膨胀的超冷中性等离子体的演化，但是在系统演化期间离子被激光冷却的情况下，情况是不同的。我们表明，在激光冷却等离子体中的电子-离子碰撞影响离子温度，降低了在这样的系统中可获得的相关程度。然而，考虑到碰撞增加的离子温度远低于基于忽略等离子体膨胀的静态等离子体云估计的温度。后者导致绝热冷却的离子，以及更重要的是，碰撞加热速率的快速下降。
2004-10-02 physics.atom-ph physics.plasm-ph
Ultrafast Electron Cooling in an Expanding Ultracold Plasma
等离子体动力学关键取决于密度和温度，因此，良好控制的实验实现是理论模型的基本基准。超冷等离子体的形成可以通过由单个飞秒激光脉冲电离微米尺寸体积的玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）中的可调数量的原子来触发。大的密度结合极低的温度的BEC产生一个最初的强耦合等离子体在迄今为止未探索的制度桥接超冷中性等离子体和电离的纳米团簇。在这里，我们报告的超快冷却的电子，被困在轨道轨迹上的远程库仑势的密集的离子核心，冷却速率为400 K/ps。此外，我们的实验设置授予直接访问的电子温度，从5250 K松弛到低于10 K在不到500 ns。
2021-02-01 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph physics.plasm-ph
Synchrotron Firehose Instability
我们表明，使用线性理论和粒子在细胞（PIC）的模拟，同步加速器冷却无碰撞等离子体获得压力各向异性，如果等离子体β是足够高的，变得不稳定的消防水龙带不稳定性，在一个过程中，我们称之为同步加速器消防水龙带不稳定性（SFHI）。SFHI将来自辐射相对论电子（和/或正电子）的压力各向异性的自由能引导到小振幅的动力学尺度磁场波动中，该磁场波动使粒子俯仰角散射，并使等离子体处于边缘不稳定的近热状态。PIC模拟揭示了一个非线性的周期性演变的消防水管爆裂穿插期间的稳定冷却。我们比较了电子-正电子和电子-离子等离子体的SFHI。作为电子发射管磁场波动增长的副产品，磁化离子获得与电子相反的压力各向异性。如果这些离子是相对热的，我们发现，他们也经历冷却由于碰撞与电子的热耦合，我们认为这是介导的二次离子回旋不稳定性。我们认为，SFHI可能会被激活，在一些天体物理的情况下，如从黑洞吸积流和相对论性喷流，其中重新分配的高能电子从低到高的俯仰角可能会导致辐射的瞬时爆发的喷出物。
2022-10-30 astro-ph.HE 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
