本文關(guān)鍵詞：電子相空間空洞的數(shù)值模擬研究

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【摘要】：磁場(chǎng)重聯(lián)是等離子體中一種重要的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程,它將磁能快速轉(zhuǎn)換為粒子的動(dòng)能和熱能,同時(shí)磁場(chǎng)的拓?fù)湮恍伟l(fā)生改變。磁場(chǎng)重聯(lián)通常會(huì)產(chǎn)生粒子束流,激發(fā)等離子體不穩(wěn)定性和波動(dòng)。電子束流不穩(wěn)定性(Electron beam instability)作為一種非常重要的不穩(wěn)定性,常常伴隨著磁場(chǎng)重聯(lián)出現(xiàn),對(duì)它的研究有助于我們更好地理解快速磁場(chǎng)重聯(lián)等重要的空間物理關(guān)心的現(xiàn)象。在本文中,我們首先在第二章探討了二維電子束流不穩(wěn)定性的性質(zhì),重點(diǎn)關(guān)注產(chǎn)生的電子相空間空洞的條件,在電子相空間空洞中,電子相空間分布形狀如“漏斗狀”,其平行電場(chǎng)呈雙極結(jié)構(gòu)的靜電孤立結(jié)構(gòu)(Electron solitary structure),在第三章我們研究了在均勻等離子體中離子對(duì)電子相空間空洞演化的影響,最后在第四章里面我們進(jìn)一步研究了在磁場(chǎng)重聯(lián)中的產(chǎn)生的電子相空間空洞的性質(zhì)。 1、電子束流不穩(wěn)定性 利用二維靜電程序,我們研究了電子束流不穩(wěn)定性不同參數(shù)條件下的性質(zhì)：(1)背景和束流電子的密度相同,并且都是冷電子時(shí),激發(fā)的是雙流不穩(wěn)定性(Two-stream instability),在非線性階段會(huì)產(chǎn)生電子相空間空洞(Electron phase-space hole),這些電子空洞除平行電場(chǎng)呈雙極分布外,在強(qiáng)磁化等離子體中垂直方向電場(chǎng)產(chǎn)生的是四極結(jié)構(gòu),在弱磁化等離子體中垂直方向電場(chǎng)產(chǎn)生的是雙極結(jié)構(gòu)；(2)當(dāng)考慮背景和束流電子都有相同的熱速度的熱流不穩(wěn)定性(Warm beam instability)時(shí),不穩(wěn)定的激發(fā)需要電子束流速度大于約1.4倍的電子熱速度,并在非線性階段產(chǎn)生電子相空間空洞；(3)當(dāng)研究束流的密度遠(yuǎn)小于背景電子密度的弱流不穩(wěn)定性(Week beam instability)時(shí),則激發(fā)的是朗繆爾波。 2、均勻等離子體中離子對(duì)電子相空間空洞的影響 我們研究了離子效應(yīng)對(duì)電子空洞演化的影響,發(fā)現(xiàn)在弱磁化條件下,電子相空間空洞是因?yàn)榍邢虿环�(wěn)定性從而扭曲破裂；然而在強(qiáng)磁化條件下,對(duì)電子空洞演化起到?jīng)Q定性影響作用的就是低混雜波了。 此外,通過(guò)二維電磁程序我們得到了在電子雙流不穩(wěn)定性的過(guò)程中產(chǎn)生的電子相空間空洞。重點(diǎn)探討了和電子相空間空洞相關(guān)的磁場(chǎng)信號(hào)特征。除了能看到Ey的單極結(jié)構(gòu)和Ex的雙極結(jié)構(gòu),由于切向不穩(wěn)定性(Transverse instability)的影響還能看到單極的Ez的存在。在強(qiáng)磁化背景下,由于靜電波產(chǎn)生的電子電流主導(dǎo)了擾動(dòng)磁場(chǎng)的變化,δBx和δBy具有條紋結(jié)構(gòu),但是δBy強(qiáng)度太弱以至于難以看到。產(chǎn)生擾動(dòng)磁場(chǎng)δBx和δBr的機(jī)制主要是電子相空間空洞里面捕獲的電子在z方向的漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流引起的。而另外一個(gè)擾動(dòng)磁場(chǎng)分量δB-的產(chǎn)生則是因?yàn)殡娮酉嗫臻g空洞整體的宏觀傳播導(dǎo)致的。另外我們還發(fā)現(xiàn)在弱磁化等離子體中,電子的溫度各向異性會(huì)激發(fā)電磁哨聲波模(Electromagnetic whistler wave),電磁哨聲波對(duì)電子空洞的結(jié)構(gòu)也構(gòu)成了一定的影響。 利用二維(x-y平面)靜電模型,我們研究了電子相空間空洞的耗散和電子的加熱機(jī)制。電子相空間空洞會(huì)因?yàn)榍邢虿环�(wěn)定性發(fā)生耗散,這種耗散可以分為兩個(gè)階段。在第一個(gè)階段里,隨著切向不穩(wěn)定性的激發(fā),電場(chǎng)垂直方向分量Ey增長(zhǎng)并且顯現(xiàn)出單極結(jié)構(gòu),電子相空間空洞發(fā)生扭曲形變,電子在穿過(guò)電子相空間空洞時(shí)被垂直電場(chǎng)Ey散射,電子在垂直方向被加熱。在第二個(gè)階段,電子相空間空洞從一個(gè)一維的結(jié)構(gòu)破裂成許多二維的電子空洞,電子空洞外部的電子溫度開(kāi)始升高。最終,大部分的電場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電子的熱能。同時(shí)隨著背景磁場(chǎng)的增加,垂直方向最大溫度漸漸下降,而且達(dá)到最大溫度需要的時(shí)間也大大增加。電子空洞對(duì)電子的加熱效率大大下降了。 3、磁場(chǎng)重聯(lián)中電子相空間空洞的性質(zhì) 我們采用二維全粒子模擬,研究了反平行重聯(lián)中分離線附近電子相空間空洞的一些細(xì)節(jié)特征：電子相空間空洞被證實(shí)出現(xiàn)在出流區(qū)和入流區(qū)的交界處：這些平行電場(chǎng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱和X線附近的重聯(lián)電場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng),空間尺度和電子慣性尺度相當(dāng)；存在的時(shí)間尺度大約等同于數(shù)千個(gè)局地電子等離子體周期；更重要的是,在出現(xiàn)電子相空間空洞的區(qū)域,電子符合尾流不穩(wěn)定性的分布函數(shù),在這些區(qū)域入流和出流電子正好符合背景電子和快速束流電子的分布。在開(kāi)始的時(shí)候,準(zhǔn)線性靜電波被尾流不穩(wěn)定性激發(fā)了,這些單色波在非線性階段會(huì)發(fā)生合并,最終發(fā)展為電子相空間空洞,電子相空間空洞會(huì)以一個(gè)和出流速度非常接近的速度沿著分離線內(nèi)側(cè)的磁力線離開(kāi)X點(diǎn)向外傳播。因此我們認(rèn)為：本章節(jié)所研究的電子相空間空洞是由尾流不穩(wěn)定性(Bump on tail instability)引起的。 我們采用了二維的全粒子模擬程序來(lái)研究非對(duì)稱的電流片。和對(duì)稱電流片磁場(chǎng)重聯(lián)相比,非對(duì)稱磁場(chǎng)重聯(lián)沒(méi)有典型的霍爾四極磁場(chǎng)(第三方向磁場(chǎng))的存在,它的第三方向磁場(chǎng)呈現(xiàn)出X點(diǎn)左邊為負(fù)值,X點(diǎn)右邊為正值的特點(diǎn)。另外,和對(duì)稱磁場(chǎng)重聯(lián)不同的是,在非對(duì)稱情形下,電場(chǎng)雙極結(jié)構(gòu)僅僅存在于上半邊的兩支分離線(低粒子密度的半邊)附近。由于下面兩支分離線附近的磁場(chǎng)比較弱,上面兩支分離線附近的磁場(chǎng)比較強(qiáng),而這種上下磁場(chǎng)的不對(duì)稱性可能正好讓下半邊的兩支分離線附近的電子相空間空洞容易受到切向不穩(wěn)定性的影響從而導(dǎo)致被快速破壞,以至于我們很難看到在下面兩支分離線附近存在電子相空間空洞。
【關(guān)鍵詞】：電子相空間空洞 電子-電子束流不穩(wěn)定性 全粒子數(shù)值模擬 無(wú)碰撞磁場(chǎng)重聯(lián) 分離線
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：P353
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 部分名詞中英文對(duì)照9-12
• 第一章 導(dǎo)論12-44
• 1.1 地球磁層結(jié)構(gòu)12-14
• 1.2 無(wú)碰撞磁場(chǎng)重聯(lián)14-22
• 1.2.1 經(jīng)典磁場(chǎng)重聯(lián)模型16-19
• 1.2.2 無(wú)碰撞磁場(chǎng)重聯(lián)19-21
• 1.2.3 雙麥克斯韋分布的Harris電流片21-22
• 1.3 等離子體靜電波22-28
• 1.3.1 非磁化等離子體中的靜電波動(dòng)22-24
• 1.3.2 磁化等離子體中的靜電波動(dòng)24-28
• 1.4 電子相空間空洞的觀測(cè)結(jié)果28-30
• 1.5 雙流不穩(wěn)定性的線性理論30-33
• 1.6 電子相空間空洞(BGK模)33-34
• 1.7 電子相空間空洞在均勻等離子體中的理論研究結(jié)果34-38
• 1.8 電子相空間空洞在重聯(lián)等離子體位形中的理論研究結(jié)果38-44
• 第二章 束流不穩(wěn)定性的二維數(shù)值模擬研究44-66
• 2.1 二維靜電模型44-45
• 2.2 電子-電子束流不穩(wěn)定性45-66
• 2.2.1 電子-電子雙流不穩(wěn)定性(冷離子背景)47-51
• 2.2.2 電子-電子雙流不穩(wěn)定性(熱離子背景)51-54
• 2.2.3 熱流不穩(wěn)定性(Warm beam instability)54-57
• 2.2.4 尾流不穩(wěn)定性(Bump on tail instability)57-60
• 2.2.5 弱流不穩(wěn)定性(Weak beam instability)60-66
• 第三章 均勻場(chǎng)中的電子相空間空洞研究66-86
• 3.1 離子動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)電子空洞演化的影響66-71
• 3.2 雙流不穩(wěn)定性中電子相空間空洞產(chǎn)生的電磁模擬71-80
• 3.3 電子相空間空洞對(duì)電子的散射和加熱研究80-86
• 第四章 磁場(chǎng)重聯(lián)位形中的電子相空間空洞研究86-108
• 4.1 二維磁場(chǎng)重聯(lián)的全粒子模擬86-92
• 4.2 反平行重聯(lián)中的電子相空間空洞研究92-102
• 4.3 非對(duì)稱重聯(lián)中的電子相空間空洞研究102-108
• 總結(jié)108-110
• 參考文獻(xiàn)110-118
• 致謝118-119
• 博士期間發(fā)表的文章119

【共引文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 湯朝靈;路立;李中元;;寧?kù)o期間雙峰電流片的觀測(cè)研究[J];地球物理學(xué)報(bào);2007年04期

2 李世友;鄧曉華;王敬芳;;ESW在磁尾磁場(chǎng)重聯(lián)耗散區(qū)分形線附近的觀測(cè)特性及其作用[J];地球物理學(xué)報(bào);2009年04期

3 吳明雨;陸全明;朱潔;王沛然;王水;;Electromagnetic Particle-in-Cell Simulations of Electron Holes Formed During the Electron Two-Stream Instability[J];Plasma Science and Technology;2013年01期

4 胡友俊;楊維~，

本文編號(hào)：1094632