1 / 31

Структура электродинамических сил, ускорение плазмы и генерация обратных токов в токовых слоях

Структура электродинамических сил, ускорение плазмы и генерация обратных токов в токовых слоях. А.Г. Франк, Н.П. Кирий, С.Н. Сатунин Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН. VI Конференция «Физика плазмы в солнечной системе» в рамках Программы ОФН-15 РАН

samson
Download Presentation

Структура электродинамических сил, ускорение плазмы и генерация обратных токов в токовых слоях

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Структура электродинамических сил, ускорение плазмы и генерация обратных токов в токовых слоях А.Г. Франк, Н.П. Кирий, С.Н. Сатунин Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН VI Конференция «Физика плазмы в солнечной системе» в рамках Программы ОФН-15 РАН «Плазменные процессы в солнечной системе» 18 февраля 2011 г.

  2. Цели и задачи исследований = Изучение динамики токовых слоев и процессов магнитного пересоединения на основе лабораторных экспериментов позволяют сопоставлять структуру магнитных полей, электрических токов и электродинамических сил, с одной стороны, с параметрами плазменных потоков, которые ускоряются в пределах слоя, с другой стороны. = В лабораторных экспериментах были зарегистрированы направленные движения плазмы со сверхтепловыми скоростями, которые можно, по-видимому, интерпретировать как аналог корональных выбросов массы (CME). Эти исследования дают возможность приблизиться к пониманию физической природы динамических явлений в атмосфере Солнца. Основные задачиданной работы: = Определение пространственно-временных характеристик электрического тока и электродинамических сил на основе анализа магнитных полей токовых слоев, развивающихся в различных условиях; = Регистрация направленных потоков плазмы, которые генерируются в токовых слоях; = Сопоставление направленных скоростей и энергий плазменных потоков с работой сил Ампера; выявление характерных особенностей ускорения плазмы.

  3. Schematic of the CS-3D device Side view Cross-section • = 2D magnetic field B= {-hy; -hx; 0} with the null-line at the z-axis, h  1 kG/cm; • = Guide field Bzaligned with the null line: Bz 8 kG; • = Superposition of BandBzforms a 3D magnetic configuration with the X line; • = Vacuum chamber:quartz,  18 cm, L = 100 cm, is filled with a gas:He, Ar, Kr or Xe; • = The initial plasma, Ne0 = 1014 1016cm-3, is produced by -discharge; • = Both magnetic fields and the initial plasma are uniform in the z-direction: ∂/∂z = 0; • = Current along the X line: Jz 100 kA, T / 2 = 6 s, results in current sheet formation; • = Diagnostics: magnetic probes, interference-holography; spectroscopy, X-ray detectors.

  4. Propagation of the magneto-acoustic wave and the in-plane plasma motions in the vicinity of the X line Magnetic field with the X line: B= {-hy; -hx; BZ} Perturbations of the magnetic field propagate as a converging magneto-acoustic wave (MAW)toward the X line in the (x, y) plane. A typical time interval for MAW propagation is defined by the local Alfven velocity: tA = (4NiMi)1/2 /h. Plasma current:j = c /(4) rot B. Plasma dynamics is controlled by the Ampere forces: f = 1/c [jB]. Excitation of jZcurrents behind the front of MAW brings about plasma compression in the y – direction and the outward motion in the x – direction.

  5. Formation of a current sheet in magnetic field with an X line (in-plane component BX ) Amplification of the excess guide field BZ A.G. Frank, S.G. Bugrov, V.S. Markov // Phys. Lett. A 373, 1460 (2009) Kr, p=36 mTorr; h=0.57 kG/cm;BZ0 = - 2.9kG;JZ=70 kA

  6. Structure of the magnetic force lines in the (x, y)plane:AZ = const; AZ = 103Gcm 2Dvacuum magnetic field In-plane magnetic field of the current sheet Ar 20 mTorr; h = 0.64 kG/cm; JZ= 65 kA; t = 1.9 s

  7. 2D distributions of plasma density at successive time moments = Formation of a current sheet is accompanied by effective plasma compression into the sheet, with the maximum density  10times higher than the initial density: Nemax 1016 cm-3 = Plasma sheet can evolve in the 3D magnetic configuration, in the presence of the strong guide field BZ0 along the X line. t = 2.95 μs t = 3.95 μs t = 4.35 μs Frank A G et al. Phys. Plasmas 12 052316 (2005) h = 0.43 kG/cm; BZ0= 2.9 kG; Ar filling, 28 mTorr; JZmax = 50 kA

  8. 14 12 Te, eV 10 8 6 4 0 2 4 6 m t, s 0,3 6 ArV Z eff eff Z 0,2 4 ; -3 -3 cm ArIV cm 16 16 0,1 2 ArII , 10 ArIII , 10 N i N e e N ArVI 0,0 0 0 2 4 6 m t, s Time evolution of plasma parameters in the sheet midplane:  Effective ion charge Zeff  Densities of argon ions Ni (Ar+1÷ Ar+5)  Electron density Ne  Electron temperature Te As the temperature increases, Ar+1 and Ar+2 ions become depleted successively turning to higher ionization states. As a result, the spectral lines Ar IV, Ar V, with Ar VI in some cases, should appear in the plasma emission spectrum. These lines, however, fall within a shorter-wavelength UV range (λ < 300 nm). Voronov G.S. et al. Plasma Phys. Rep.34, 999 (2008) h = 430 G/cm; Ar, 28 mTorr; Jzmax= 70 kA

  9. In-plane magnetic field components BX, BY and current density jZ in the current sheet Distributions along the sheet width (x-axis), y = 0.8 cm Distributions along the sheet thickness (y-axis), x = 0.8 cm and x =-5 cm Current distribution in the (x,y) plane is characterized by 2 different sizes: x /y  6 15 Ar,20 mTorr; h = 0.64 kG/cm;JZmax= 65 kA; t = 1.9 s

  10. Evolution of the current density jz0 in the CS midplane and the y-dimensions of CS at the levels 0.5jz0 and 0.1jz0 Ar, x = -5 cm Ar, x = 0.8 cm He, x = 0.8 cm He, x = -5 cm

  11. Scheme of two-channel spectral measurements with the use of a Nanogate 1-UF fast programmable CCD camera Øz 1.5 cm Øx 2.5 cm

  12. Time behavior of the ion temperature Ti and averaged energy of plasma flows Wx = Ti, Te, Zi,av are maximum in the sheet midplane and increase with time; = Ti > Te = The plasma is in transverse equilibrium (along the y-axis) with the magnetic field: Ne (Te+Ti /Zi) + (BZ)2 /8   BX2 /8;1 Kyrie N.P. et al. Plasma Phys. Rep.36, 357 (2010) Ar, 28 mTorr, h=0.5kG/cm, Jz 75kA

  13. The Ampere force Fx acting along the current sheet surface  = 1.2 cm h=0.57kG/cm BZ0= 0 (2D) Ar, 28 mTorr JZ100kA; t 1.9s   Fxmax 6105 dynescm-2 Iz (x) = – c /2 {BxJ (x) – [ByJ (x)/ x] }; jz (x) = Iz (x) / 2 Fx (x) = fx (x)  2 = -1/c Iz (x) ByT (x); ByT = hx + ByJ

  14. Plasma acceleration along the current sheet surface MiNidv/dt = -p + 1/c[jB] = p is negligible along the current sheet surface (x-direction). = In the 2D magnetic configurations (Bz = 0) the Ampere forces fxсome to play only in the presence of the normal magnetic field component ByT : fx = 1/c[jB]x≡ -1/c(jz ByT) = The average density of the Ampere forcefX (x) was calculated on the basis of magnetic measurements: fx(x) -1/cIz (x)ByT(x)/ 2 fX(x)dx  NiWX 3.51017 eVcm-3 At Ni 31015cm-3WXmax 115 eV. = The time interval for accelerating the Ar(+1) ions is  3-5 s. = These estimations correlate with the measured energy of the Ar ions and the typical acceleration time.

  15. Comparison between HeII 4686 Åand HeII 3203 Åline profiles observed in the x- and z-direction x-direction z-direction HeII 4686 Å Dlx = 4.6Å Dlz = 1.6 Å He,  320 mTorr; h = 500 G/cm; Bz=0; Jzmax = 70 kA; t  3 s HeII 3203 Å Dlx= 6.0 Å Dlz = 2.4 Å

  16. Тепловые и направленные скорости ионов HeII в токовых слоях, развивающихся в 2D магнитном поле(Bz = 0) или в 3D магнитной конфигурации(Bz = 2.9 kG) SLs:HeII 468.6 nm;HeII 320.3 nm Ne0 (0.91.3)1016 cm-3 Nex 3.41016 cm-3 Ti 50 eV Wx 400 eV (Bz= 0) Н.П. Кирийи др. Труды ФАС-XIX, С.59-67 (2009) He,  320 mTorr; h = 0.5 kG/cm; Bz=0; Bz = 2.9 kG Jzmax = 70 kA

  17. The Ampere force Fx acting along the surface of a current sheet formed in the He plasma  = 1.2 cm h=0.5kG/cm BZ0= 0 (2D) He, 320mTorr JZ 70kA; t 2.1s     Fxmax3.5105 dyncm-2 x - 4.4 cm Iz (x) = – c /2 {BxJ (x) – [ByJ (x)/ x] }; jz (x) = Iz (x) / 2 Fx (x) = fx (x)  2 = -1/c Iz (x) ByT (x); ByT = hx + ByJ

  18. The y-dependence of the Ampere force fx (y) at x = -5 cm At the CS midplane (y = 0) there is a maximum in the current density jz (y), and a minimum in the value of the normal component ByT (y). The forcefx (y) = -1/c jz (x) ByT (x)can have a local minimum near the midplane. We might expect effective plasma acceleration where plasma density is lower than at the CS midplane, i.e. at some distance along the y – axis. h=0.63kG/cm; Ar, 28 mTorr; JZ70kA;BZ0= 0

  19. Ampere force fx (y) and plasma density Ne (y) at x = -5 cm He, 320 mTorr h = 0.5 kG/ cm Jzmax = 70 kA The Ne (y) distribution is very narrow as compared with the fx(y) distribution, so that the low-density plasma at wings of the Ne (y) distribution can be effectively accelerated

  20. Distributions of the current Iz (x) at successive times. Development of reverse currents t = 2.3 s t = 4.5 s Ezi 1/c(vx ByT) t = 3.5 s t = 5.0 s h=0.63kG/cm Ar, 28 mTorr JZ70kA

  21. Evolution of the currents Iz (x) integrated over one-half the sheet (- R x 0) Jz(+) = Iz(+)(x)dx - direct currents in the region (xR x 0); Jz(-) = Iz(-)(x)dx - reverse currents in the region (-R xxR); Jz(S) = Iz(x)dx - the total current in the whole region (-R x 0). xR(t) – the x-coordinate where the current Iz (x) reverses its direction: Iz (xR ) = 0. t, s The current Iz (x) is concentrated in the region y = 0.8 cm h=0.63kG/cm Ar, 28 mTorr JZ70kA

  22. Magnetic structure of current sheets, by S.I. Syrovatskii, JETP 1971 A current sheet with the reverse currents at the edges A current sheet without the reverse currents

  23. Заключение = В экспериментах по изучению динамики токовых слоев и процессов магнитного пересоединения была исследована эволюция магнитных полей, что позволило определить основные особенности структуры электрических токов и электродинамических сил. = Измерены температуры ионов, электронов и энергии направленных движений плазмы. Обнаружены потоки плазмы, которые движутся вдоль поверхности токового слоя с энергиями, значительно превышающими тепловую энергию ионов. = Проведен анализ пространственной структуры сил [jB]и показано, что под действием этих сил должно происходить постепенное увеличение кинетической энергии направленного движения ионов вдоль поверхности токового слоя. = В результате энергия ионов у боковых концов слоя может достигать 100 эВ, что согласуется с непосредственно измеренными энергиями потоков плазмы при формировании слоя в Ar. = Обнаружено, что у боковых краев слоя возникают токи обратного направления по отношению к основному току, протекающему в центральной области слоя. = = Генерация обратных токов и их усиление со временем свидетельствуют о новых динамических эффектах в токовых слоях, возникающих при движении потоков плазмы в сильном поперечном магнитном поле, что, в свою очередь, приводит к изменению магнитной структуры слоя.

  24. Спасибо за внимание!

  25. Coronal Mass Ejections (CME)X-ray images of the Sun recorded with the SPIRIT device mounted on the Coronas-F satellite.

  26. Experimental device CS-3D Institute of General Physics, Moscow, Russia   100 cm  

  27. Distributions over the current sheet thickness of the tangential magnetic field component BX(y), current density jZ(у) andexcessguide fieldBZ (у) = The excess guide field BZ (у)is localized only in the regions where the basic current jZflows. = The excess guide fieldBZis supported by additional plasma currents in the (x, y) plane. = The total current on one side of the current sheet, JX 57kA,is of the same order as the total basic current along the Xline,which gives rise to the current sheet formation, JZ 70 kA. Ar, 28 mTorr; h = 0.57 kG/cm; BZ0= 4.3 kG;JZ 70 kA

  28. Plasma dynamics in 3D magnetic field with the X-line and the guide field Bz Compression of the current, plasma and the guide field Bz into the sheet Deterioration of the current and plasma compression due to amplification of the guide field in the sheet

  29. Spatiotemporal evolution of plasma parameters under study:  Intensity of spectral line Ar II 480.6 nm (Ar+1 ions)  Intensity of spectral line Ar III 379.5 nm (Ar+2 ions)  Electron density Neand electron temperature Te Te was determined from time behaviour of various spectral lines by using the SIMPTOS code including the processes of ionization, excitation and plasma flows. Ar+1 and Ar+2 ions are depleted in the sheet midplane with increasing Te and Ne Voronov G.S. et al. Plasma Phys. Rep. 34, 999 (2008) h = 430 G/cm; Ar, 28 mTorr;Jzmax = 70 kA

More Related