论文部分内容阅读
高能电子和许多天体和空间环境中的物理现象密切相关,比如伽马射线爆、太阳耀斑以及地球磁层亚爆,这些高能电子通常满足幂律谱分布。磁场重联是等离子体物理中基础的物理过程,通过磁拓扑位形的改变,磁能被转化为等离子体的动能和热能。磁场重联重要的特征就是高能电子的产生,因此它可能为解释这些爆发现象中普遍观察到的高能电子提供了一种产生机制。
本文利用二维(2D)粒子模拟方法研究了存在强引导场情况下多磁岛合并过程中的电子加速。由于强引导场的存在,可以利用引导中心理论来分析平行电场、费米、betatron加速机制对电子加速的贡献。得到的结果如下:
1.多磁岛合并过程以及强引导场下的电子加速机制
在磁岛合并过程中,小磁岛之间会不断地相互合并,直到模拟区域只剩下一个大磁岛。电子即可以通过平行电场加速机制在重联X点和合并点附近被加速,也可以通过费米加速机制在收缩的磁岛两端被加速。由于加入了较强的引导场,平行电场加速机制比费米加速机制对电子加速的贡献要大,而相比于这两种加速机制,betatron加速机制对电子加速的贡献可以忽略不计。在磁岛合并过程中会产生高能电子,并且这些高能电子形成了幂律谱分布。
2.不同参数(磁岛的形状、电子等离子体βe、磁岛的个数以及引导场的大小)对磁岛合并过程和电子加速的影响
对于更大的ε值、模拟区域更多的磁岛以及更小的引导场,磁岛的合并过程会更快速。费米加速机制对电子加速的贡献会随着电子等离子体βe的增加变得更加重要,随着引导场的增加变得越来越不重要。在所有的多磁岛合并模拟算例中,高能电子均形成了幂率谱分布,并且幂率谱的谱指数随着磁岛数目的增加以及引导场的增加而增加,其与磁岛的形状(ε取值)以及电子等离子体βe值并无明显相关性。
本文利用二维(2D)粒子模拟方法研究了存在强引导场情况下多磁岛合并过程中的电子加速。由于强引导场的存在,可以利用引导中心理论来分析平行电场、费米、betatron加速机制对电子加速的贡献。得到的结果如下:
1.多磁岛合并过程以及强引导场下的电子加速机制
在磁岛合并过程中,小磁岛之间会不断地相互合并,直到模拟区域只剩下一个大磁岛。电子即可以通过平行电场加速机制在重联X点和合并点附近被加速,也可以通过费米加速机制在收缩的磁岛两端被加速。由于加入了较强的引导场,平行电场加速机制比费米加速机制对电子加速的贡献要大,而相比于这两种加速机制,betatron加速机制对电子加速的贡献可以忽略不计。在磁岛合并过程中会产生高能电子,并且这些高能电子形成了幂律谱分布。
2.不同参数(磁岛的形状、电子等离子体βe、磁岛的个数以及引导场的大小)对磁岛合并过程和电子加速的影响
对于更大的ε值、模拟区域更多的磁岛以及更小的引导场,磁岛的合并过程会更快速。费米加速机制对电子加速的贡献会随着电子等离子体βe的增加变得更加重要,随着引导场的增加变得越来越不重要。在所有的多磁岛合并模拟算例中,高能电子均形成了幂率谱分布,并且幂率谱的谱指数随着磁岛数目的增加以及引导场的增加而增加,其与磁岛的形状(ε取值)以及电子等离子体βe值并无明显相关性。