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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 shocks in laboratory astrophysics experiments
基于两种不同的碰撞算法及其在两个著名的粒子模拟程序EPOCH和SMILEI中的实现，研究了等离子体碰撞对激光驱动无碰撞激波形成和离子加速的影响。在这种设置中，超强入射激光脉冲在厚靶中产生热电子，在激光-等离子体界面处发射静电冲击，同时还通过钻孔效应推动界面。我们观察到，在不同程度上，由于碰撞和改进（$\ge 10\%$）的准单能离子的能谱中的PIC代码EPOCH和SMILEI的空间电荷效应的减弱。这些结果确定了实验室天体物理学实验中无碰撞冲击的“无碰撞性”。
2019-07-10 physics.plasm-ph
Nonlinear dispersion of stationary waves in collisionless plasmas
从单粒子振荡中心哈密顿量出发，得到了无碰撞等离子体中一般驻波的非线性色散的非微分形式。对于非磁化等离子体中的静电振荡，作为一个典型的例子，线性介电函数被广义化，和被困粒子的波频移$Δω$的贡献被发现解析作为波振幅$a$的函数。平滑分布像往常一样产生$Δω\sim a^{1/2}$。然而，束状分布的陷阱电子导致不同的幂律，甚至对数非线性，这是作为相同的色散关系的渐近极限。
2011-05-01 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
Magnitude of Short-Wavelength Electric Field Fluctuations in Simulations of Collisionless Plasma Shocks
本文通过1D粒子网格模拟，发现当上游电子温度高于离子温度时，短波长电场涨落幅度随频率比增大并达到实际值，且与静电孤立结构相关；温度比反转时幅度较小。
2025-09-25 physics.plasm-ph physics.space-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
Trapping oscillations, discrete particle effects and kinetic theory of collisionless plasma
研究了有限个$N$粒子对无碰撞等离子体中单色静电扰动演化的影响。对于单个波的增长和阻尼，离散粒子数值模拟显示了一个$N$依赖的长时间行为，它不同于由Vlasovian方法引起的数值误差，并且遵循单个粒子的脉动分界线交叉动力学。
2001-03-09 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.comp-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
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
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
Universal non-thermal power-law distribution functions from the self-consistent evolution of collisionless electrostatic plasmas
通过准线性分析受驱动的无碰撞静电等离子体的Vlasov-Poisson方程，证明自洽演化是形成普适非热速度幂律尾部（$v^{-5}$）的关键机制。
2024-11-11 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
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
Time-resolved characterization of the formation of a collisionless shock
我们报告的时间和空间分辨检测的非磁化，超临界碰撞的冲击在激光驱动的实验室实验中，导致形成的非磁化，超临界碰撞的冲击阶段。与冲击相关的静电势的测量演变揭示了从电流自由双层到对称冲击结构的过渡，通过在冲击前沿的离子反射稳定。通过匹配的Particle-In-Cell模拟和理论考虑，我们认为这个过程类似于超新星遗迹中超临界无碰撞冲击的离子反射。
2013-04-24 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Freely decaying turbulence in two-dimensional electrostatic gyrokinetics
在磁化等离子体中，在相空间中以小于热拉莫尔半径（“亚拉莫尔尺度”）的尺度发生湍流级联[Phys. Rev. Lett. 103，015003（2009）]。当湍流被限制在垂直于背景磁场的两个空间维度时，由于存在两个无碰撞不变量，两个独立的级联可能同时发生。本文采用唯象理论和直接数值模拟的方法研究了二维静电陀螺动力学的自由衰减湍流。一个双级联（正向和反向级联）观察到在速度空间，以及在位置空间，我们诊断的非线性传递函数的碰撞不变量。我们发现，湍流往往是一个时间渐近状态，占主导地位的一个单一的规模增长的时间。这种渐近状态的理论是以衰减定律的形式导出的。我们研究的每一种情况都属于三个区域之一（弱碰撞，边缘和强碰撞），由一个无量纲数D*，一个类似于雷诺数的量决定。边缘状态由在时间上保持的临界数D* = D 0来标记。初始化高于该值的湍流随时间变得越来越惯性，朝着越来越大的D* 发展;初始化低于D 0的湍流变得越来越碰撞，逐渐衰减到越来越小的D*。
2012-12-12 physics.plasm-ph
Quasi-perpendicular fast magnetosonic shock with wave precursor in collisionless plasma
一个一维的粒子在细胞（PIC）模拟跟踪一个快速的磁声冲击在时间尺度上的逆离子回旋频率。磁压力与上游的热压力相当。冲击波以电磁极限中快磁音速的1.5倍的速度传播穿过均匀背景磁场，其压力等于角度为85 $^\circ$的上游热压力。静电对波色散的贡献在大波数下增加了其相速度，这导致凸色散曲线。在激波之前形成一个快磁声前兆，其相速度超过快磁声速度约$\sim 30 \%$。波比冲击慢，因此被阻尼。
2018-05-07 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
Laser-driven Collisionless Shock Acceleration of Ions from Near-critical plasmas
本文概述了在近临界密度CH和He等离子体中，分别由1 μ m（Omega EP）和10 μ m（UCLA Neptune Laboratory）激光驱动的静电无碰撞冲击波加速窄能散离子束的实验和数值结果。CH靶中的冲击波产生高能50 MeV质子（能量扩散<30%）和314 MeV C6+离子（能量扩散<10%）。质子和碳离子加速到相似速度的观测结果与激波前沿运动势的粒子反射一致。对于CO_2激光驱动的气体射流冲击波，在He离子谱中检测到30MeV的峰值。粒子在细胞模拟表明，无论目标的密度分布的进一步控制是需要的加速离子束的部分能量扩散，产量和最大动能的优化。
2020-06-12 physics.plasm-ph
Generation and Evolution of High-Mach Number, Laser-Driven Magnetized Collisionless Shocks in the Laboratory
激波的作用是将进入的超音速流转化为热量，在无碰撞等离子体中，激波层通过集体电磁效应在动力学等离子体尺度上形成。在许多空间和天体物理系统中都观察到了这些无碰撞冲击[Smith 1975，Smith 1980，Burlaga 2008，Sulaiman 2015]，并被认为将粒子（包括宇宙射线）加速到极高的能量[Kazanas 1986，Loeb 2000，Bamba 2003，Masters 2013，Ackermann 2013]。特别重要的是高马赫数、超临界激波类[Balogh 2013]（$M_A\gtrsim4$），其必须将大量的粒子反射回上游以适应熵产生，并且在这样做的过程中播种了提出的粒子加速机制[Blandford 1978，McClements 2001，Caprioli 2014，Matsumoto 2015]。在这里，我们提出了第一个实验室一代的高马赫数磁化无碰撞冲击，通过相互作用的扩展激光驱动的等离子体与周围的磁化等离子体。等离子体密度和磁场的时间分辨二维成像显示了在磁声马赫数$M_{ms}\approx12$下传播的超临界激波的形成和演化。由实验数据约束的Particle-in-Cell模拟详细地显示了激波的形成、C $^{+6}$和H $^{+1}$离子在多物种环境等离子体中的单独反射动力学以及激波层中的密度和磁场压缩和过冲。该实验平台的开发补充了目前的遥感…
2016-10-20 physics.plasm-ph
The physics of a small-scale tearing mode in collisionless slab plasmas
微撕裂模是由撕裂宇称电子温度梯度驱动的等离子体不稳定性，它导致磁通量表面的精细尺度撕裂，从而导致磁场线重联和磁岛的形成。在平板几何形状，它以前已经表明，驱动机制需要一个有限的碰撞频率。然而，我们发现在线性回旋动力学模拟中，一个无碰撞的精细尺度撕裂宇称不稳定性存在，即使在低和零碰撞频率。详细的研究表明，这些板模式也驱动的电子温度梯度，但电子有限拉莫尔半径的影响是敏感的，并有一个径向波数远小于副正规波数，这是可比的离子拉莫尔半径。此外，它们甚至存在于静电极限中，电磁效应实际上对这种无碰撞撕裂模式具有稳定影响。分析模型表明，这种无碰撞的小尺度撕裂模式与撕裂宇称平板电子温度梯度（ETG）模式一致，这可能比经常研究的扭曲宇称ETG模式更不稳定。这种小尺度的撕裂宇称模式可以导致磁岛，这反过来又会影响磁化等离子体中的湍流输运。
2020-05-14 physics.plasm-ph
Modulated envelope localized wavepackets associated with electrostatic plasma waves
已知的静电等离子体模式的非线性振幅调制检查在一个通用的方式，通过应用无碰撞流体模型。冷（零温度）和温暖的流体的描述进行了讨论，并比较结果。适度的非线性振荡制度的影响，通过应用多尺度技术。计算得到一个非线性薛定谔方程（NLSE），它描述了慢变波振幅在时间和空间上的演化。的NLSE承认本地化的信封（孤立波）解决方案的明亮（脉冲）或黑暗（孔，空隙）类型，其特性（最大振幅，宽度）取决于等离子体的内在参数。明确考虑了振幅微扰、有限温度和缺陷（尘埃）浓度等效应。与类似的高度本地化的调制波结构在最近的卫星任务中观察到的相关性进行了讨论。
2004-10-15 physics.plasm-ph
Particle-In-Cell simulations of circularly polarised Alfvén wave phase mixing: a new mechanism for electron acceleration in collisionless plasmas
在这项工作中，我们使用Particle-In-Cell模拟来研究圆极化Alfvén波与横向于均匀磁场的一维等离子体密度不均匀性（相位混合）在无碰撞等离子体中的相互作用。在我们的初步工作中，我们报告了一种新的电子加速机制的发现，在这种机制中，由于局部阿尔文速度的差异，阿尔文波前的渐进变形产生了一个倾斜（几乎平行于磁场）的静电场。后者通过朗道共振加速电子。在这里，我们报告了这种新机制的详细研究，包括：（i）分析由于阿尔文波的存在，离子分布函数的加宽和（ii）由于弱非线性和等离子体密度不均匀性产生的压缩扰动。在非均匀区域，在动力学区域，振幅衰减规律与Heyvaerts和Priest（1983）描述的MHD近似相同。
2005-04-01 astro-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
A numerical integration scheme for vectorised phase-space of one-dimensional collision-free, electrostatic systems
基于流体类比，提出将一维无碰撞静电系统的1D-1V相空间视为二维流体向量空间的新数值积分方案，相比有限分裂方案具有更高速度和精度，适用于等离子体等多粒子系统模拟。
2024-05-27 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Collisionless plasma shocks in striated electron temperatures
本文证明了电子温度沿磁场线条纹分布的磁化等离子体中离子声波低频波导模的存在。在更高的频率，在离子回旋和离子等离子体频率之间的频带中，辐射模式发展并倾斜地传播到远离条纹的场。随后的静电冲击的形成和传播的参数，并证明了数值。对于这样的等离子体条件，耗散机制是由波陡化产生的谐波的“泄漏”。
2010-02-03 astro-ph.EP nlin.PS physics.plasm-ph
Relaxation to universal non-Maxwellian equilibria in a collisionless plasma
本文通过熵最大化方法研究无碰撞等离子体湍流弛豫，发现短时守恒的无碰撞不变量在强湍流下被驱动为普适形式，并通过一维静电束流不稳定性数值验证了粒子能量分布出现指数为-2的普适幂律尾部。
2024-09-03 astro-ph.HE cond-mat.stat-mech physics.plasm-ph
Available energy and ground states of collisionless plasmas
本文考虑了无碰撞等离子体在静电涨落作用下的能量收支，并计算了在各种限制等离子体运动可能形式的约束条件下，热能超过最小值的情况。该过量测量多少热能“可用于”转化成等离子体不稳定性，并且因此构成等离子体稳定性的非线性测量。具有零可用能量的分布函数定义了“基态“，在这个意义上，它的能量不能通过任何线性或非线性等离子体运动而降低。在具有小密度和温度波动的弗拉索夫等离子体中，可用能量与这些量的均方成比例，并且超过理想或电阻磁流体力学中的相应能量。如果第一或第二绝热不变量守恒，则基态通常具有不均匀的密度和温度。磁约束等离子体通常不处于任何基态，但某些类型的仿星器等离子体相对于保持这两个绝热不变量的波动是如此，使得等离子体对这种波动线性和非线性稳定。被偶极磁场限制的等离子体也可以享受类似的稳定性。
2017-06-16 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
Ion-Acoustic Waves in Unmagnitized Collisionless Weakly Relativistic Plasma using Time-Fractional KdV Equation
本文用约化微扰法导出了无磁碰撞弱相对论热等离子体中小振幅静电离子声波的Korteweg-de Vries（KdV）方程。时间分数阶KdV方程的拉格朗日量以与正则KdV方程的拉格朗日量类似的形式使用。这个拉格朗日函数的变化导致欧拉-拉格朗日方程，导致时间分数KdV方程。利用分数阶导数的Riemann-Liouvulle定义描述分数阶KdV方程中的时间分数阶算子。用He给出的变分迭代法求解了时间分数阶KdV方程。对初始条件为A0*sech（cx）^2的解进行了计算。本文的研究结果可应用于电离层等离子体环境。
2010-06-25 nlin.PS physics.plasm-ph
Kinetic simulations of electron pre-energization by magnetized collisionless shocks in expanding laboratory plasmas
在超音速等离子体流相互作用的空间和天体物理系统中，例如在太阳风、太阳风顶和超新星遗迹中，无碰撞激波是常见的特征。最近的实验能力和诊断允许对高马赫数激波进行详细的实验室研究，因此，这可以成为了解各种天体物理环境中激波动力学的一种有价值的方法。使用二维粒子模拟与库仑二元碰撞算子，我们证明了产生高能电子的机制和实验要求，在实验室高马赫数无碰撞冲击检测这一过程。我们通过参数研究表明，在激光驱动的膨胀等离子体实验中，磁化无碰撞冲击加速电子是可行的。
2020-12-02 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
Maximum entropy states of collisionless positron-electron plasma in a dipole magnetic field
构建了偶极磁场约束无碰撞正负电子等离子体最大熵状态的理论模型，通过分析三个绝热不变量对相空间分布函数的影响，证明了在广泛物理参数下两种粒子的有效约束，并通过数值评估验证了该理论。
2022-11-22 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
Electron heating in high Mach number collisionless shocks
本文提出高马赫数无碰撞激波中电子加热的新理论模型，揭示电子-离子惯性差异导致的差异性散射及双极电场与扩散输运的自洽作用，解释了Weibel磁场中的高效加热机制。
2024-05-15 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Island formation in collisionless kinetic plasmas with perturbed orbits
在相空间共振的vinicity为一个给定的物种的等离子体，粒子分布函数是平坦的自由能之间的交换等离子体和共振电磁波。在这里，我们提出的作用角变量，明确分离的绝热不变量的贡献，所产生的扰动的哈密顿量在一个单一的轨道的过程中。然后，我们进行类似的分析的轨道周期，允许一个确定的生成函数$ψ$修改的零阶贡献的轨道周期（未扰动轨道）的情况下，粒子能量不是时不变的。我们认为，人口的“准捕获”粒子穿过分界线，直接允许岛的增长和衰变。然后，我们采用$ψ$在合奏的情况下，通过考虑这个生成函数如何允许6+ 1维静电Vlasov方程的有限增长和频率扫描的模式发生的解决方案。最后，我们推导出一个近似形式的分界线外的$ψ$，允许定性观察相空间剪切和岛屿的形成。
2019-11-10 physics.plasm-ph
Microinstabilities at perpendicular collisionless shocks: A comparison of full particle simulations with different ion to electron mass ratio
采用全粒子模拟方法研究了垂直无碰撞激波阵面处产生的微观不稳定性。冲击波的结构和动力学由阿尔芬马赫数和等离子体β决定，而微不稳定性由上游体速度与电子热速度和等离子体与回旋频率的比率控制。因此，微不稳定性的增长率的离子-电子质量比的变化，即使在相同的马赫数和等离子体β。二维模拟结果表明，在较低的质量比下，电子回旋漂移不稳定性占主导地位，并激发出静电电子回旋谐波。当质量比较大时，修正双流不稳定性占主导地位，并激发斜电磁哨声波，通过修正激波磁场影响无碰撞激波的结构和动力学.
2012-04-10 astro-ph.HE physics.geo-ph physics.plasm-ph
Ion-acoustic shocks with reflected ions: modeling and PIC simulations
非相对论性无碰撞激波广泛存在于空间和天体物理等离子体中，被称为高效的粒子加速器。然而，我们对无碰撞冲击的理解，包括它们的结构和它们加速粒子的机制仍然不完整。我们在这里提出的结果的数值模拟的离子声碰撞无冲击的基础上的一维（1D）动力学近似的电子和离子与一个真正的质量比。特别强调的是作为冲击耗散的主要驱动程序的冲击反射离子。根据激波参数研究了反射效率、反射粒子速度分布和激波静电结构。本文讨论了粒子加速在地球物理和天体物理冲击中的应用。
2015-03-26 physics.plasm-ph
