Time-Dependent Perpendicular Transport of Energetic Particles in Magnetic Turbulence with Transverse Complexity
用解析方法研究了高能粒子在平均磁场中的磁湍流运动。这里提出的方法允许一个完整的时间依赖性的描述的运输，包括复合子扩散。第一次，它是系统地表明，一旦有横向结构的湍流，扩散恢复，即使没有库仑碰撞调用。子扩散和正常马尔可夫扩散的标准，以及发现。
2017-04-19 physics.plasm-ph
Cross-field transport and pitch-angle anisotropy of solar energetic particles in MHD turbulence
最近对太阳高能粒子在日光层湍流中传播的模拟也在本讲习班上讨论，研究了俯仰角散射和垂直输运在日光经度上粒子传播中的作用，如多航天器测量（STEREO A/B、ACE、SOHO等）所示。在不同的能量范围内都是1 AU。在某些情况下，颗粒分布的一阶俯仰角各向异性是不可忽略的。本文计算了两种MHD湍流模型（a）3-D各向同性模型和（b）Goldreich-Sridhar提出的各向异性模型，在考虑俯仰角依赖性的非均匀湍流中由于梯度/曲率漂移引起的平均垂直位移。我们发现，在这两种情况下，漂移规模为$(1-μ^2)^2$与余弦的俯仰角$μ$，与以前的模型运输的SEP。这一结果可能会影响SEP通过日光层传播的模型。
2015-12-30 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
On the onset delays of solar energetic electrons and protons: Evidence for a common accelerator
本研究使用包含垂直扩散的数值粒子传输模型，成功重现了相距遥远的航天器观测到的太阳高能电子和质子的起始延迟，表明二者可能源自共同的大尺度激波加速器。
2023-05-09 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Finite Gyroradius Corrections in the Theory of Perpendicular Diffusion, 1. Suppressed Velocity Diffusion
等离子体物理、空间科学和天体物理中的一个基本问题是高能粒子与随机磁场相互作用的输运问题。特别是粒子在大尺度磁场中的运动很难用解析法描述。然而，近年来，由于统一的非线性输运理论的发展，已经取得了进展，该理论可以用来描述高能粒子的磁场线扩散以及垂直扩散。后一种理论与不同的独立进行的测试粒子模拟非常吻合。然而，该理论仍然基于不同的近似和假设。在目前的文章中，我们考虑到粒子运动的有限回转半径，并计算在不同的渐近极限的校正扩展的理论。我们考虑不同的湍流模型作为例子，如平板模型，嘈杂的平板湍流，和二维模型。而平板湍流没有有限的回转半径修正，垂直扩散系数在其他两种情况下降低。本文所研究的问题也与非线性扩散理论中的参数a^2有关。
2015-06-23 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Modelling ion acceleration and transport in corotating interaction regions: the mass-to-charge ratio dependence of the particle spectrum
该研究利用 EUHFORIA 与含平行、垂直扩散的聚焦输运方程模拟合成 CIR，揭示垂直扩散会削弱离子能谱的 A/Q 依赖，使不同离子能谱趋同并符合观测。
2024-03-02 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Effects of Turbulent Magnetic Fields on the Transport and Acceleration of Energetic Charged Particles: Numerical Simulations with Application to Heliospheric Physics
在介绍之后，我们集中于：带电粒子的传输，离子在冲击中的加速，以及电子在冲击中的加速。第二章研究了太阳高能粒子在湍流磁场中的传播。对湍流磁场中的粒子轨迹进行了数值积分。湍流包括一个类似Kolmogorov的功率谱，包含广泛的尺度。粒子强度（辍学）和速度分散的小尺度变化可以重现。这一结果对起始点分析推断SEP信息的误差提供了一个约束。我们发现，使用双组分模型很少产生脱落（Matthaeus等人，1990年）。这一结果对湍流模型提出了质疑。第三章研究了离子的加速。我们使用3-D混合模拟来研究低能粒子在平行冲击下的加速。我们发现粒子通过在激波处的反射获得能量。质子可以在三维电场和磁场中离开场线。我们还使用了随机积分方法来研究扩散冲击加速，包括大规模的磁场变化。这一结果可以解释旅行者1号观测到的异常宇宙射线。第四章结合混合模拟和试验粒子模拟研究了电子在湍流磁场中的冲击加速。通过包括大尺度湍流来增强加速度。由于电子主要沿着场线运动，场线编织允许电子多次与冲击波相互作用。波纹还通过镜像电子而有助于加速。该过程有利于垂直冲击。通过比较电子和质子的加速度，讨论了这对SEP的影响。SEP中电子和离子的强度相关性意味着垂直冲击在加速粒子中起重要作用。
2012-11-15 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Localized enhancements of energetic particles at oblique collisionless shocks
本文利用三维实验粒子模拟方法研究了非相对论斜快无碰撞激波加速带电粒子的空间分布。我们发现，低能量粒子的密度表现出局部增强的冲击，类似于“尖峰”测量行星际冲击。与以前的结果相比，基于数值解的集中输运方程，我们发现一个冲击尖峰的任何磁取向，从准垂直到平行。我们比较的俯仰角分布相对于当地的磁场和动量分布远下游和非常接近的冲击内的尖峰，我们的研究结果是兼容的预测从散射的无冲击漂移加速度（SDA）在这些地区的限制。旅行者1号在太阳终端激波处测量到的低能粒子的增强与我们的剖面相当。我们的模拟允许预测超热质子在行星际冲击在10个太阳半径内进行测试的太阳探测器任务。他们也有影响的解释离子加速超新星遗迹冲击。
2015-02-09 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Numerical Study of the Longitudinally Asymmetric Distribution of Solar Energetic Particles in the Heliosphere
太阳高能粒子影响着日地空间环境，是空间天气研究的一个重要方面。在这项工作中，我们数值研究了SEPs在三维行星际磁场中的输运过程，重点是SEPs在日光层中的纵向分布。我们证实了我们以前的发现，存在一个东西纵向不对称的SEP强度，即，在太阳源中心与观测者磁足点的经度间隔相同的情况下，位于观测者名义磁足点东侧的太阳源产生的SEP事件的通量系统地大于位于观测者名义磁足点西侧的太阳源产生的SEP事件的通量。我们讨论了这一现象的形成机制，并得出结论，SEPs的纵向不对称分布是由于日球磁场拓扑结构中的东西方位不对称性以及垂直扩散对SEPs在日球中传输的影响造成的。我们的研究结果对于理解日地关系和空间天气预报具有重要意义。
2015-06-03 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Analysis of the MHD stability and energetic particles effects on EIC events in LHD plasma using a Landau-closure model
本研究的目的是进行理论分析的磁流体动力学（MHD）的稳定性和高能粒子对LHD平衡的影响，计算在放电能量离子驱动的电阻交换模式（EIC）事件被触发。我们使用简化的MHD方程来描述一个完整的三维系统中的极向通量和涡度的环向分量的线性演化，再加上方程的密度和平行的速度矩的高能粒子物种。我们添加了朗道阻尼和共振不稳定的影响，使用封闭的关系。模拟结果表明，由垂直中性束注入器（NBI）驱动的螺旋俘获EP进一步破坏了位于等离子体外围的1/1 MHD模（r/a = 0.88）。如果由垂直NBI驱动的EP的β大于0.0025，则具有约3 kHz频率的1/1 EIC不稳定。如果在模型中考虑切向NBI驱动的通过EP的影响，则在β =0.025以下切向NBI的注入强度的任何增强都会导致不稳定性增长率的降低。模拟表明，垂直NBI EP是EIC事件的主要驱动力，因为它是在实验中观察到的。如果在模型中加入螺旋耦合的影响，则11/13 EIC在约9 kHz的频率下不稳定，与1/1 EIC相比向内偏移（r/a = 0.81）。因此，对于EIC频率从9到3 kHz的啁啾下降的一种可能的解释是由于高n模式的不稳定效应的减弱而导致的11/13到1/1 EIC之间的转变，这是由由于螺旋捕获的EP的损失或EIC突发之后EP分布函数的变化而导致的EP驱动的减小引起的。
2019-04-02 physics.plasm-ph
The power-law spectra of energetic particles during multi-island magnetic reconnection
幂律分布是日球层高能粒子光谱的一个几乎普遍的特征。异常宇宙射线（ACR）、太阳风中的超阿尔夫文离子和耀斑中最硬的高能电子谱都具有幂律的能量通量，其与能量$E$的关系近似为$E^{-1.5}$。我们提出了一个新的模型，粒子加速系统中的浴缸合并磁岛，自洽地描述了发展的速度空间各向异性平行和垂直于本地磁场，并包括自洽反馈的压力各向异性的合并动力学。通过包括俯仰角散射，我们得到一个方程的全向粒子分布$f(v,t)$，解决了封闭的形式，揭示$v^{-5}$（对应于一个能量通量变化为$E^{-1.5}$）作为一个接近普遍的解决方案，只要特征加速时间是短的特征损失时间相比。在这种状态下，高能粒子的总能量与剩余的磁自由能达到宇称。更一般地说，由此产生的输运方程可以作为计算大尺度非均匀系统中重联产生的高能粒子分布的基础。
2012-10-17 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Mach number and plasma beta dependence of the ion temperature perpendicular to the external magnetic field in the transition region of perpendicular collisionless shocks
离子温度各向异性是（准）垂直无碰撞激波的共同特征。通过使用二维全粒子模拟，它示出，离子温度分量垂直的冲击磁场在冲击脚区域是成比例的阿尔芬马赫数除以等离子体β的平方。这一结果也解释了一个简单的分析参数，其中反射离子从上游等离子体流获得能量。通过比较分析和数值计算结果，还证实了当Alfven马赫数的平方除以等离子体β大于20时，反射离子的分数几乎不依赖于等离子体β和Alfven马赫数。
2019-11-19 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Rapid cosmic-ray acceleration at perpendicular shocks in supernova remnants
垂直冲击被证明是快速的粒子加速器，当冲击速度与粒子速度之比$u_{\rm s}$大致等于散射率与陀螺频率之比$1/η$时，其性能最佳。我们使用分析方法和蒙特卡罗模拟来解决的动力学方程，支配在这些冲击产生的各向异性，并发现，对于$ηu_{\rm s}\approx1$，光谱指数软化的统一和加速时间增加了两个因素相比，扩散冲击加速理论的标准结果。这些结果为30年前的猜想提供了理论基础，即超新星爆炸进入沃尔夫-拉叶星的风中可能会将质子加速到超过$10^{15}\,$ eV的能量。
2015-07-01 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Analytic characterization of sub-Alfvénic turbulence energetics
本文针对强磁化可压缩湍流的能量失衡难题，基于相干圆柱流体微元动力学与MHD拉格朗日量，解析证明了转移至动能的磁能主要源于有序与波动磁场间的耦合，且该理论关系与数值模拟高度吻合。
2023-04-07 astro-ph.IM physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Magneto-HydroDynamic activity and Energetic Particles - Application to Beta Alfven Eigenmodes
磁聚变研究的目标是提取聚变反应释放的能量，并由这些反应的产物携带，以几兆电子伏的能量释放。聚变能生产的可行性依赖于我们限制这些高能粒子的能力，同时保持热核等离子体在安全的操作条件下。为此目的，有必要了解并找到控制高能粒子与热核等离子体之间相互作用的方法。达到这两个目标是在博士期间进行的工作的一般动机。更具体地说，我们的重点是一种类型的不稳定性，β Alfven本征模（BAE），它可以由高能粒子驱动，并对高能粒子和热粒子的约束产生影响。在这项工作中，我们研究了BAE的特性分析，并推导出其色散关系和结构。接下来，我们分析了在高能粒子的存在下的模式的线性稳定性。首先，一个纯粹的线性描述，这使得有可能得到一个分析的线性判据BAE不稳定的高能粒子的存在。这一标准进行了比较，在博士学位期间的托雷-上托卡马克实验。其次，由于线性分析揭示了BAE稳定性的一些特征，这些特征受到强烈的非线性修改，因此提出了该模式的亚临界活动的可能性的问题。我们提出了一个简单的方案，使亚稳定模式的存在，验证分析和数值。这样的情况下被发现是相关的物理和规模表征BAE。
2009-12-14 physics.plasm-ph
Propagation of Solar Energetic Particles in Three-dimensional Interplanetary Magnetic Fields: Radial Dependence of Peak Intensities
太阳高能粒子（SEP）峰值强度I_{max}（R）的径向依赖关系通常采用函数形式I_{max}（R）=kR^{-α}，其中R为航天器的径向距离。在这项工作中，五维福克-普朗克输运方程，包括垂直扩散的数值求解调查SEP峰强度的径向依赖性。考虑了两种不同的航天器编队分布情况：（1）沿径向线，（2）沿帕克磁场线。我们发现，上述表达式中的指数α在很宽的范围内变化，主要取决于性质（例如，位置，覆盖范围）的SEP源和源和观测者的磁足迹之间的纵向/横向分离。特别是观测者的磁足点位于SEP源的内部还是外部，是决定指标α值的关键因素。在峰强度的径向依赖性中发现了两相现象。断点（过渡点/临界点）的“位置”由观察者的磁连接状态决定。这一发现表明，在观测研究中，应该非常仔细地检查SEP源与每个航天器之间的磁连接。我们获得了R^{-1.7 \pm 0.1}的下限，用于经验地模拟SEP峰强度的径向依赖性。我们在这项工作中的发现可以用来解释大多数以前的多航天器调查结果，特别是调和不同的/相互冲突的经验值的指数α在文献中。
2017-06-16 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
New class of self-similar solutions for vacuum plasma expansion admitting mono-energetic ion spectra
我们报告一类新的自相似解决方案等离子体膨胀到真空中，允许准单能离子光谱。一个简单的分析模型考虑到外部控制的热电子随时间变化的温度。当激光的时间轮廓被适当地定制时，等离子体的准中性自相似膨胀导致在相空间中的离子浓度以特定的速度，从而产生准单能谱。我们证明了这一分析预测使用一维粒子在细胞（PIC）模拟的时间依赖性的等离子体温度是由两个激光脉冲在一个合适的时间延迟拍摄在箔控制。
2007-11-26 physics.acc-ph physics.plasm-ph
A low-frequency variational model for energetic particle effects in the pressure-coupling scheme
磁约束聚变装置中的高能粒子效应通常采用混合动力学-流体模拟程序进行研究，其基础的连续演化方程往往缺乏正确的能量平衡。虽然有两种不同的动力学-流体耦合方案（电流耦合和压力耦合），本文采用欧拉-庞加莱变分法制定一个新的保守的混合模型的压力耦合方案。在我们的例子中，高能粒子的动力学是由引导中心理论描述的。拉格朗日流体路径与相空间粒子轨迹之间的相互作用反映了一种复杂的变分结构，这种结构可以通过让4维引导中心轨迹在整个6维相空间中演化来接近。然后，多余的垂直速度被整合出来，恢复四维描述。第二个等价的变分方法也报道，其中涉及到使用相空间拉格朗日。这些变分结构不仅赋予新的模型一个正确的能量平衡，而且它们产生的交叉螺旋度不变量，这是在文献中报道的其他压力耦合计划丢失。
2019-01-22 math-ph math.MP physics.plasm-ph
Observations of Turbulence and Particle Transport at Interplanetary Shocks: Transition of Transport Regimes
本研究利用四颗 Cluster 航天器观测准垂直行星际激波上游，发现高能质子通量随距离由指数衰减转为幂律衰减，并将其归因于正常扩散向超扩散的转变。
2025-05-13 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.plasm-ph
Weibel-dominated quasi-perpendicular shock: hybrid simulations and in situ observations
本研究通过混合动力学模拟与太阳风高马赫数激波的就地观测直接对比，发现激波脚区的离子Weibel不稳定性是观测波特性的成因，并提取了反射离子参数的线性近似以供解析模型使用。
2023-10-20 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
On a hydrodynamic description of waves propagating perpendicular to the magnetic field in relativistically hot plasmas
由浓度场、速度场、平均逆相对论$γ$函子和逆相对论$γ$函子的通量四个方程组成的等离子体流体力学模型，用于研究电磁波在垂直于外磁场传播时的高频频谱。与非相对论温度相比，在接近电子静止能量的温度下考虑的热效应大大改变了色散方程。对这些变化进行了分析。
2021-08-02 physics.plasm-ph
Dynamics of reversed shear Alfvén eigenmode and energetic particles during current ramp-up
利用混合MHD-回旋动力学程序模拟研究了常规托卡马克装置中等离子体电流上升过程中高能粒子强驱动的扫频反向剪切Alfvén本征模（RSAE）的动力学行为。考虑了一系列代表长时间尺度MHD平衡演化的时间片的弱反向剪切平衡，详细分析了短时间尺度上的自洽RSAE-EP共振相互作用。线性和非线性RSAE动态被证明是受非微扰效应的EP通过最大化波EP功率传输。在线性阶段，EP诱导出明显的模式结构和频移;同时，由于弱的磁剪切，RSAE通过与共振EP的径向解耦达到饱和，并引起全局EP对流输运和非绝热频率啁啾。相空间波-EP相互作用的时空尺度由相互作用的垂直波长和波粒俘获时间表征。模拟提供的见解一般以及具体功能的RSAE光谱和EP运输从实验观察，并说明了基本的物理波EP共振相互作用与磁几何形状，等离子体的非均匀性和非微扰EP的相互作用。
2020-06-25 physics.plasm-ph
Early-time velocity autocorrelation for charged particles diffusion and drift in static magnetic turbulence
利用测试粒子模拟方法，研究了在三维各向同性湍流功率谱中，在与时间无关的空间起伏磁场中，带电粒子散射的两点速度关联函数随时间的变化规律.这种关联函数使我们能够计算平行于和垂直于平均磁场的扩散的空间系数。我们的模拟证实了垂直扩散系数对湍流能量密度和粒子能量的依赖性，以前预测的早期带电粒子传输模型。使用计算的扩散系数，我们利用粒子速度自相关调查的时间尺度上的粒子"去相关"的解决方案的未扰动的运动方程。解相关的时间尺度进行评估的平行和垂直的运动，包括漂移的粒子从本地磁场线。强和弱磁湍流的制度进行了比较的粒子回旋半径的相关长度的比值的各种值的磁湍流。我们的模拟参数可以应用于行星际空间中的高能粒子、超新星激波处的宇宙射线以及星系际介质中的宇宙射线输运。
2012-06-27 astro-ph.EP astro-ph.HE physics.plasm-ph
Cosmic ray propagation in turbulent magnetic fields
本综述探讨了宇宙射线在湍流磁场中的传播问题，基于磁流体力学湍流进展分析了垂直与平行扩散机制，并指出了传统俯仰角散射的局限及“镜像扩散”的解决方案。
2023-04-05 astro-ph.GA astro-ph.HE physics.plasm-ph
