Electron Cyclotron Drift Instability
Excited by Cross‑Field Ion Beam藤本 桂三、 町田 忍
(京都大学理学研究科地球惑星科学専攻)

Numerical Simulations
z・2次元電磁粒子コード
・周期境界条件

B0・Nx×Nz = 256×512,

Introduction
磁気再結合領域の中心付近では磁場が弱いために、電子のみが磁化されていてイオンは磁化されていない。
このような領域では、電子はE×Bドリフトによって電子のAlfven速度まで加速が可能になると考えられる。
そこで、本研究ではこのようなSuper Alfvenicな高速電子ビームが磁力線を横切る場合に励起される不安定性について調べることにした。
この問題は、電子ビーム系で考えると、一様電場の無い空間でSuper Alfvenicな高速イオンビームが磁力線を横切る場合に励起される不安定性を調べることと等価である。

Linear Theoryy・ωce/ωpe=1, Te/Ti=1,mi/me=100, βi=0.02vbx(b) Vb/ve = 1.0f(v)

f(v)

f(v)

5050

1.2404040

1303030202020101010

Angular Frequency

Growth Rate

0.12
0.1γ/ωpe

0.08

0.8
0.6

Vb/ve= 5Vb/ve= 50.06
0.04

Vb/ve= 10.4

0.4 -0.40.2v-0.20.2v

Vb/ve= 0.7

0.42040608020q degree(b) Vb/ve = 1.0(a) Vb/ve = 0.7

Vb/ve= 0.7

0.02(c) Vb/ve = 5.040q degree608010100electron cyclotron drift instability

5550

modified two stream instability

11100.5

0.5

50.1

0.1

10.05

0.05

0.5

200250300

050100150twpe

1twpe = 250.

300

twpe = 200.

00.5

0.5

0-11vz•c-0.5-0.5

00.5

Vb

0-0.5

00vx•c0.5

-1-1

1-0.5

10vx•c0.5

10-1555kz c•wpe

10000-5-5-5-10-10-100kx c•wpe

5101

ビームイオンによる電子バーンスタイン波の逆ランダウ減衰(Forslund et al., 1970)

0.
-15

15-10-5

1.

0vx•c0.50kx c•wpe

510(b) Vb/ve = 1.010.10.1

1010110.1

0.1050100150200

250300tωpe

0.01

0.01050

100150tωpe

200

250

3000.01

simulation
theory・理論値とシミュレーション結果が良く一致している
・ECDIによる異常抵抗はMTSIと同程度に大きい(c) Vb/ve = 5.0Vb

0.
-10-50kx c•wpe

=
kx/

07.5

ωuhBernstein wave

ω-151550< twpe <15050< twpe <150

10.01

1Ex(k)-15225

twpe = 60.

10-5-0.5Ex(k)-1510(c) Vb/ve = 5.0

10-100.5Vb20

twpe = 100.

Ex(k)

1.

0

15150.

-0.50(b) Vb/ve = 1.0(a) Vb/ve = 0.7
twpe = 120.

0-1-11010-0.5020

Mechanism of ECDI

4030530050

twpe = 60.

200.5250

B020-0.5-15200

10Vb-15150
twpe

15015100

100-1-0.550

155-1-10125200.5vz•c250

B=0B0
1200

2150
twpe

(c) Vb/ve = 5.02100

10‑6 e wpe•c me

500.1(a) Vb/ve = 0.7

理論値

ω/ωpe

00.01

・Vb/ve<1ではMTSI、Vb/ve>1ではECDIが卓越・Vbの増加とともにECDIの励起領域が広がる

Totalx‑comp
y‑compz‑compω/ωpe0.01vz•cε0 E2/210e2wpe•c2me-0.2}

Vb/ve= 110‑6v

0.4 -0.4

シミュレーション結果(c) Vb/ve = 5.0ω/ωpeion

0.2

4. 高速ビーム領域では ECDI が大きな異常抵抗を発生させる。

Generalized Dispersion Relation(a) Vb/ve = 0.7-0.2

3. 電磁的効果によって MTSI は安定化するが ECDI は不安定化する。

Quasilinear Theory (Anomalous Resistivity)

0.2-0.4

2. ECDIはビーム速度が増加するにつれて励起領域が広がる。

k=(k⊥,0,k‖)36 particles a gridelectron

1. Vb/ve<1 では modified two stream instability (MTSI)、Vb/ve>1 では electron cyclotron drift instability(ECDI)がそれぞれ卓越する。

θΔx=Δz=0.1c/ωpe ,50

Conclusion

0kx c/ωpe

kx c/ωpe

3.
51015

Electromagnetic Effects

Mechanism of ECDI broadening

30< twpe <80511w•wpe0w•wpe

0Growth Rate

ω/ωpe

80

0.1

-50.
-15-10-50kx c•wpe

1.
510150.
-2-15-10-50kx c•wpe

2.
51015

1.30.

-7.5-15-10-50kx c•wpe

5102

3.

1.2

15

1.1

1.5

1070kz c/ωpe
0.5

10kx c/ωpe

15

0.08
0.06

Vb/ve= 1Vb/ve= 1Vb/ve= 50.02

Vb/ve= 0.7
Vb/ve= 0.750020 0Vb/ve= 50.04

60

15Vb/ve<1では低域混成周波数(ωlh)帯の波動が卓越
Vb/ve>1では高域混成周波数(ωuh)帯の波動が卓越

γ/ωpe

-1-1

Vb/ve=100.12-2.5-20.14

900θ degreeωlhw•wpe

2.551015kx c/ωpe

電子バーンスタイン波の伝播特性で説明できる

20406080q degree
electron cyclotron drift instability (electromagnetic)
electron cyclotron drift instability (electrostatic)
modified two stream instability (electromagnetic)
modified two stream instability (electrostatic)

MTSIは安定化するがECDIは不安定化する