Magnetothermodynamics: measuring the equations of state of a compressible magnetized plasma
磁热力学（MTD）是研究磁化等离子体的压缩和膨胀，着眼于确定磁惯性聚变实验的状态方程。我们提出了最近的结果从SSX实验压缩磁化等离子体的热力学。在这些实验中，我们产生扭曲的磁化，放松等离子体加速从一端的$1.5~m$长铜磁通守恒的磁通绳，并观察它们的压缩在一个封闭的导电边界安装在另一端。在压缩过程中测量等离子体参数。在压缩过程中的离子加热的情况下，通过使用测量的密度，温度和磁化等离子体的体积构建PV图来确定。理论预测的MHD和双绝热（CGL）状态方程的实验测量进行比较，以估计压缩等离子体的绝热性质。由于我们的磁化等离子体弛豫到磁流体力学所描述的平衡，人们可能会期望它们的热力学由相应的状态方程控制。然而，我们发现磁流体动力学状态方程是不支持我们的数据。我们的结果更符合平行CGL状态方程，表明这些弱碰撞等离子体的质子能量的大部分方向平行于磁场。
2018-11-16 physics.plasm-ph
Scalar Dissipation Criticality in Compressible Magnetized Turbulence
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；Flatiron Institute, Simons Foundation（西蒙斯基金会平顿研究所）；School of Mathematics, IAS, Princeton（普林斯顿高等研究院数学学院）；GSSI, L’Aquila, Italy（意大利拉奎拉全球南方科学研究所）
该研究将标量湍流理论推广至可压缩磁化流动，证明在特定标度指数条件下反常耗散不可能发生，并给出Yaglom定律的可压缩类比，为等离子体输运提供诊断依据。
2026-09-22 astro-ph.GA physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Impact of temperature asymmetry and small fraction of static positive ions on the relaxed states of a relativistic hot pair plasma
本文研究了含温度不对称及少量静态正离子的相对论热正负电子对等离子体弛豫态，推导出非无力三重 Beltrami 方程并发现温度与密度不对称可导致抗磁与顺磁结构相互转化，增进了对陷阱约束与天体物理对等离子体的理解。
2025-07-01 physics.plasm-ph
Relativistically Magnetized Collisionless Shocks in Pair Plasma: I. Solitons, Chaos, and Thermalization
本文提出相对论性磁化无碰撞激波的新理论模型，揭示其耗散源于准周期孤子结构中轨道混沌而非集体等离子体作用，并恢复Rankine-Hugoniot条件、推导熵产生率与热化过程。
2025-05-06 astro-ph.HE nlin.CD physics.plasm-ph
Shock waves in a rotating non-Maxwellian magnetized dusty plasma
本文建立了一个理论模型，研究了在快、慢时间尺度下粘性、磁化和旋转尘埃等离子体中尘埃声激波的特性。本文用约化摄动法导出了尘埃非活动和动态（快、慢时间尺度）两种情况下的非线性Zakharov-Kuznetsov（ZK）方程。电子和离子都服从Kappa/Cairns分布。据观察，粘性在这两种情况下，当灰尘是在背景和活动起着关键的作用，在耗散的声冲击的传播。色散项是由磁场和旋转引起的。研究发现，超高温和等离子体的粘性对激波的形成有重要影响。本研究可能有助于理解特定实验中的旋转等离子体。
2020-02-27 physics.plasm-ph
On the Cascade-Dissipation Balance in Astrophysical Plasmas
本文利用Magnetospheric Multiscale mission数据与Vlasov-Maxwell粗粒化能量方程，发现地球磁鞘等离子体在两个数量级尺度上能量级联与耗散平衡，揭示了离子和电子在不同尺度上的加热机制。
2024-01-09 physics.plasm-ph physics.space-ph
Detailed characterization of laboratory magnetized super-critical collisionless shock and of the associated proton energization
无碰撞冲击在宇宙中无处不在，并负责产生非热粒子和高能辐射。在系统中没有粒子碰撞的情况下，理论工作表明，膨胀等离子体与预先存在的电磁结构（如在我们的情况下）的相互作用能够引起能量耗散并允许激波形成。冲击波的形成也可以发生在两个等离子体相互作用时，通过微观不稳定性诱导电磁场，电磁场又能够介导能量耗散和冲击波的形成。使用我们的平台，我们耦合的高功率激光（JLF/泰坦在LLNL和LULI 2000）与高强度磁场诱导的快速膨胀等离子体，我们已经研究了磁化无碰撞冲击波的产生和相关的粒子的碰撞。我们已经把这种冲击波描述为无碰撞和超临界的。本文报道了在不同的环境等离子体和B场条件下，对实验中等离子体密度、温度、电磁场结构和粒子数的测量结果。我们还模拟了形成的冲击，使用宏观流体动力学模拟和相关的粒子加速使用动力学粒子在细胞模拟。作为\citet{yao2020laboratory}的配套文件，在这里，我们展示了实验和模拟的额外结果，提供更多的信息来重现它们，并证明了我们解释的质子加速机制的鲁棒性是冲击冲浪加速。
2021-04-25 physics.plasm-ph
Electron and Ion Heating during Magnetic Reconnection in Weakly Collisional Plasmas
利用回旋动力学方法模拟了强磁化、弱碰撞等离子体的磁重联加热过程。对于低等离子体β的情况下，平行和垂直的相位混合强烈增强能量耗散产生电子加热。在磁重联动力学过程结束后，加热会持续很长一段时间。对于更高的β情况，离子与电子耗散率的比率增加，这表明离子加热（通过相混合）可能成为高β等离子体中重要的耗散通道。
2015-04-13 physics.plasm-ph
Magnetized Plasma Target for Plasma-Jet-Driven Magneto-Inertial Fusion
我们确定了β>1磁化等离子体的所需特性和参数，可能具有高度缠结的开放场线，这可能是一个合适的目标，可以通过球形内爆等离子体衬垫压缩到聚变条件[S. C. Hsu等人，IEEE等离子体科学学报40，1287（2012）]通过合并高超音速等离子体射流形成。这个概念被称为等离子体射流驱动的磁惯性聚变（PJMIF）。我们对靶和衬管设定了要求，使得（a）压缩加热在靶中的热传输上占主导地位，以及（b）由于压缩的磁放大在整个内爆中在耗散上占主导地位。我们还评估了要求，以避免漂移不稳定性引起的异常运输和电流驱动的异常电阻率的目标。接下来，我们描述了产生这种磁化的β>1等离子体靶的可能方法。最后，假设这样的目标可以创建，我们评估的可行性的概念验证实验，使用目前可实现的等离子体射流，以证明目标压缩加热在等离子体衬垫动能<~ 100千焦（几百倍以下，需要在PJMIF反应堆）。
2018-05-27 physics.plasm-ph
Intermittency and Dissipative Structures Arising from Relativistic Magnetized Turbulence
本研究通过广义She-Leveque模型分析相对论磁化湍流的间歇性，揭示耗散结构维数与填充率随磁化强度和磁场涨落的变化，为包含相干结构粒子加速的新理论提供依据。
2024-03-15 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetized compressible turbulence with a fluctuation dynamo and Reynolds numbers over a million
本研究开展了雷诺数超百万的超音速MHD湍流高分辨率模拟，发现动能谱在动能主导与强磁化尺度间存在突变，并揭示了局部弛豫区域的形成机制及其对级联过程和涨落发电机饱和的深刻影响。
2024-05-29 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.comp-ph
Fast collisionless reconnection and electron heating in strongly magnetized plasmas
使用保留非等温电子动力学的新型流体动力学模型[Zocco & Schekochihin，Phys. Plasmas 18，102309（2011）]研究了强磁化（低β）、弱碰撞等离子体中的磁重联。结果表明，电子加热通过朗道阻尼（线性相位混合）是占主导地位的耗散机制。在时间上，电子加热发生在重联率的峰值之后;在空间上，它集中在磁岛的分界线上。对于足够大的系统，峰值重连率为$cE_{max}\approx 0.2v_AB_{y,0}$，其中$v_A$是基于重连字段$B_{y,0}$的阿尔文速度。岛的饱和宽度是相同的MHD模型，除了小系统，当它变得可比的动力学尺度。
2013-01-02 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Pseudochaos and low-frequency percolation scaling for turbulent diffusion in magnetized plasma
从理论上分析了低频静电（各向异性磁）湍流中典型“逾渗”输运的基本物理性质和简化模型描述。解决的关键问题是在慢波动频率（大久保数）的限制与波动强度的湍流扩散系数的标度。在这个限制，运输被发现表现出伪混沌，而不是简单的混乱，与消失的Kolmogorov-Sinai熵和令人不安的缓慢混合相空间轨迹的属性。基于一个简单的随机行走模型，我们发现低频，渗流标度的湍流扩散系数由$D/ω\propto Q^{2/3}$（这里$Q\gg 1$是库博数和$ω$是特征波动频率）。当伪混沌性质放松时，渗流标度被证明是跨越玻姆标度。用一个具有Caputo意义下分数阶导数的时间分数阶扩散方程统计描述了拟混沌区的湍流输运特征。考虑了与有限粒子惯性相关的其他物理效应。
2009-04-21 physics.gen-ph physics.plasm-ph
Formation and Evolution of Coherent Structures in 3D Strongly Turbulent Magnetized Plasmas
本研究综述三维强湍动磁化等离子体中相干结构的形成与演化，指出其是磁能耗散为粒子动能的关键场所，强调二维孤立研究电流片与磁重联的局限性，需结合三维真实环境建模。
2023-03-27 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
The effect of viscosity and resistivity on Rayleigh-Taylor instability induced mixing in magnetized high energy density plasmas
这项工作数值研究的瑞利-泰勒不稳定性在磁化高能量密度（HED）等离子体的粘度和电阻率的作用，为高阿特伍德数和高等离子体β制度调查等离子体β和磁性普朗特数。数值模拟使用粘阻磁流体动力学（MHD）方程。这里提出的结果表明，在系统中的自洽粘度和电阻率的列入急剧变化的瑞利-泰勒不稳定性（RTI）的增长，以及修改其内部结构在较小的尺度。这里可以看出，粘度对RTI具有稳定作用。此外，粘度抑制了小尺度结构的发展，也改变了RTI尖峰尖端的形态。另一方面，电阻率降低了支持小尺度结构发展的磁场稳定性。RTI尖峰的形态被认为是不受系统中电阻率的存在的影响。这项工作的一个额外的新颖性是在不同的粘度和电阻率分布，可能存在于HED等离子体和RTI的增长，形态，以及由此产生的湍流光谱的影响。此外，这项工作表明，磁场的动力学是独立的粘度和同样的电阻率不影响拟能和动能的耗散。此外，幂律标度拟能，动能，磁场能量提供了在注入范围和惯性子范围，这可能是有用的理解RTI诱导的湍流混合在HED实验室和天体物理等离子体，并可以帮助解释RTI诱导的湍流光谱的观测。
2021-12-21 physics.plasm-ph
Trinity: A Unified Treatment of Turbulence, Transport, and Heating in Magnetized Plasmas
为了忠实地模拟ITER和其他现代聚变装置，必须在五维相空间和时间中解析电子和离子的波动尺度。同时，必须考虑这种湍流与大尺度等离子体轮廓的缓慢演变的相互作用。由于涉及的规模和高维问题的巨大范围，解决第一性原理全球模拟是非常具有挑战性的使用传统的（蛮力）技术。在这篇论文中，解决湍流的问题是通过发展速度空间分辨率诊断和自适应碰撞性，允许使用近似的最小必要耗散的速度空间动力学的置信模拟。关于大范围的尺度，已经开发了一种新的方法，其中湍流计算从多个回旋通量管模拟耦合在一起使用传输方程，以获得自洽的，稳态的背景配置文件和相应的湍流通量和加热。这种方法体现在一个新的代码，三位一体，这是能够发展平衡配置文件的多个物种，包括电磁效应和现实的磁性几何形状，在传统的全球模拟的成本的一小部分。此外，一个先进的模型物理碰撞运营商的陀螺动力学已被推导和实施，允许研究碰撞湍流加热，这还没有得到广泛的研究。为了证明耦合通量管方法的实用性，从三位一体模拟的ITER等离子体的核心的初步结果。
2009-01-22 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
Non-modal approach to linear theory: marginal stability and the dissipation of turbulent fluctuations
线性化系统的非模态方法与正常模式分析不同，它遵循某些扰动平衡的时间演化，因此包括瞬态效应。我们采用非模态的方法研究的双麦克斯韦磁化等离子体的稳定性，使用朗道流体模型，我们简要描述。我们表明，双麦克斯韦稳定平衡可以支持一些物理量的瞬态增长，我们研究这些瞬态行为时，平衡接近其边际稳定的条件。这与各向异性等离子体有关，在太阳风中经常观察到温度各向异性接近可以触发动力学不稳定性的值。用非模态方法得到的结果是有关的线性边际稳定性的概念重新审查。此外，我们还讨论了湍流涨落耗散的问题，建议在未来的研究中应包括非模态方法。
2009-10-22 physics.plasm-ph physics.space-ph
Symmetric set of transport coefficients for collisional magnetized plasma
在适用于碰撞天体物理和高能量密度等离子体的Braginskii扩展磁流体力学（ExMHD）中，电场和热流由$α$、$β$和$κ$输运系数描述。我们发现，磁输运主要依赖于$β_\parallel-β_\perp$和$α_\perp-α_\parallel$，而不是$α_\perp$和$β_\perp$本身。然而，常用的系数拟合函数[Epperlein和Haines，Phys.Fluids 29，1029（1986）]不能精确地计算这些量。这意味着许多ExMHD模拟都大大高估了交叉梯度能斯特平流，导致人为的磁耗散和不连续性。我们重复动力学分析以提供纠正此问题的拟合。在Gorgon ExMHD代码中使用这些解决了文献中动力学模拟的已知差异。认识到$α_\perp-α_\parallel$和$β_\parallel-β_\perp$的基本重要性，我们重新转换系数集，发现它们中的每一个现在共享相同的基本属性。这使得磁和热输运方程的对称性以及系数本身的对称性变得明确。
2020-09-09 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Weak Alfvénic turbulence in relativistic plasmas II: Current sheets and dissipation
在黑洞吸积盘和中子星磁层中激发的阿尔文波是相对论性磁化等离子体中湍流的基石。在这些系统中可获得大量的磁能，使得即使在弱湍流状态下也可显著加热等离子体。我们进行高分辨率的三维模拟的反向传播的阿尔文波，显示出一个$E_{B_{\perp}}(k_{\perp}) \propto k_{\perp}^{-2}$能谱的发展作为一个结果的弱湍流级联在相对论磁流体力学和它的无限磁化（无力）的限制。等离子体湍流无处不在地产生电流片，这些电流片充当磁能耗散的位置。我们表明，电流片的形式作为一个自然的结果，非线性相互作用之间的反向传播阿尔文波。这些电流片的形成是由于细长的涡流的压缩，由增长的高阶模式引起的剪切驱动，并经历变薄的过程，直到它们分裂成小尺度的湍流结构。我们探讨了在重叠波和局域波包碰撞中{电流片}的形成。在天体物理系统中，局域阿尔文波的相对论相互作用既能产生阿尔文波又能产生快波，有效地介导了电磁能量的转换和耗散。等离子体在阿尔芬波相互作用过程中产生的电流片中通过重联而发生的碰撞可以解释黑洞吸积冕和中子星磁层中的X射线辐射。
2021-10-25 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Statistical Description of a Magnetized Corona above a Turbulent Accretion Disk
我们提出了一个基于物理的统计理论的无力磁场在日冕上方的湍流吸积盘。这个场是由一个与圆盘相连的环的统计集合来表示的。每个环在几个物理过程下演化：开普勒切变，盘足点的湍流随机行走，以及与其他环的重连。为了建立统计描述，我们引入了环的大小分布函数，并构建了一个控制其演变的动力学方程。这个环动力学方程在形式上类似于玻尔兹曼的动力学方程，其中环-环重联由二元碰撞积分描述。一个无量纲的参数被引入到缩放（未知）的整体率相对于开普勒剪切重联。在数值求解磁环分布函数后，自洽地计算了平均磁压和耗散率随高度的分布，以及不同尺寸磁环的平衡形状。我们还计算了能量和扭矩与一个给定的环，以及总的磁能和扭矩的电晕。我们探讨了这些数量的依赖性的重联参数，并发现它们可以大大增强，如果环之间的重联被抑制。
2008-03-04 astro-ph physics.plasm-ph
Influence of a large-scale field on energy dissipation in magnetohydrodynamic turbulence
在磁流体动力学（MHD）湍流中，大尺度磁场为小尺度动力学设定了一个优选的局部方向，改变了各向同性情况下的湍流统计。即使在没有总磁通量的情况下也会发生这种情况，因为MHD湍流形成随机取向的大尺度强磁场域。因此，研究小尺度磁等离子体湍流的习惯是假设一个相对于湍流涨落的强背景磁场。例如，这是在等离子体的简化模型中完成的，例如简化MHD、降维动力学模型、陀螺动力学等，这使得理论计算更容易并且数值计算更便宜。然而，最近已经清楚的是，湍流能量耗散集中在强磁场变化的区域。相当一部分的能量耗散可能局限于非常小的体积中，对应于强磁化畴之间的边界。在这些区域，简化模型不适用。这对磁等离子体湍流中粒子加热和加速的研究具有重要意义。本文的目的是系统地研究局部磁场变化与磁能量耗散之间的关系，并了解其对模拟真实湍流等离子体中能量耗散的影响。
2017-03-09 astro-ph.HE physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Zero-frequency magnetic fluctuations in homogeneous cosmic plasma revisited
基于涨落耗散定理，重新讨论了非磁化气体等离子体中的磁涨落，并在没有近似的情况下进行了计算。本文的结果与前人基于同一定理的结果相比，在定性和定量上都有不同。特别是，它表明，它是不正确的，光谱强度不随$k_{cut}$敏感地变化。同时，这种强度对等离子体和碰撞频率的依赖关系进行了讨论。
2011-04-01 astro-ph.CO physics.plasm-ph
Dissipation and particle acceleration at intermittent structures with velocity and magnetic shear: Interaction of Kelvin-Helmholtz and Drift-Kink instabilities
通过二维粒子模拟研究速度与磁场剪切下Kelvin-Helmholtz与漂移-扭折不稳定性相互作用，发现其增强耗散并产生新型粒子加速机制，有助于理解天体物理湍流中的高能粒子产生。
2025-10-24 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Nonlinear phase mixing and phase-space cascade of entropy in gyrokinetic plasma turbulence
弱碰撞磁化等离子体中的静电湍流可以解释为相空间中的熵级联，这被认为是磁化等离子体湍流中能量耗散的普遍机制。当热拉莫尔半径尺度的非线性去相关时间短于碰撞时间时，在亚拉莫尔尺度上的宽谱波动在速度和位置空间中被数值发现，具有理论预测的缩放。结果是重要的，因为他们确定什么可能是一个普遍的Kolmogorov式制度的动力学湍流，因为任何物理过程，产生波动的gyrophase独立的分布函数的一部分，可能会通过熵级联，导致在湍流加热的速率增加的波动幅度，但是独立的碰撞频率。
2009-06-30 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Electron-Scale Current Sheets and Energy Dissipation in 3D Kinetic-Scale Plasma Turbulence with Low Electron Beta
本文通过SPS代码模拟低电子β条件下的三维动理学湍流，发现级联可形成电子尺度电流片，并揭示压强-应变能量耗散高度间歇且主要集中于约20%体积的电流结构中，其中约1%的电流片与磁重联相关。
2023-06-08 physics.plasm-ph physics.space-ph
Astrophysical gyrokinetics: kinetic and fluid turbulent cascades in magnetized weakly collisional plasmas
我们提出了一个天体物理等离子体（太阳风，星际介质，星系团，吸积盘）等离子体湍流的理论框架。关键假设是湍流相对于平均磁场是各向异性的，并且与离子回旋频率相比频率较低。在外尺度注入的能量必须转化为热量，这最终不能在没有碰撞的情况下完成。一个动力学级联的发展，使能量在空间和速度上都达到碰撞的尺度。它的性质取决于等离子体波动的物理学。在每一个物理上不同的尺度范围内，动力学问题被系统地简化为一组更容易处理的方程。在“惯性范围”以上的离子gyroscale，动力级联分裂成一个级联的阿尔文波动，这是由RMHD方程在碰撞和无碰撞的尺度，和被动级联的压缩波动，这服从一个线性动力学方程沿移动场线与阿尔文组件。在离子和电子gyroscale之间的“耗散范围”中，又有两个级联：由两个流体状电子RMHD方程和离子熵波动的被动相空间级联控制的动力学阿尔芬波（KAW）级联。后者级联带来的能量的惯性范围内的波动，阻尼碰撞波粒子相互作用在离子gyroscale碰撞尺度的相空间，并导致离子加热。KAW能量在电子陀螺仪上同样被阻尼，并转化为电子热。Kolmogorov式的标度关系推导出这些级联。详细讨论了天体物理和空间物理应用。
2009-05-09 astro-ph nlin.CD physics.plasm-ph
