А.Г. Франк Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН Конференция ИКИ РАН «Физика плазмы в солнечной системе» 12 февраля 2009 г., Метастабильная и импульсная. - презентация

1 А.Г. Франк Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН Конференция ИКИ РАН «Физика плазмы в солнечной системе» 12 февраля 2009 г., Метастабильная и импульсная стадии магнитного пересоединения в лабораторных токовых слоях

2 10 th International Workshop on the Interrelationship between Plasma Experiments in Laboratory and Space (IPELS), Djurönäset, Sweden, June st Annual Meeting of the American Physical Society, Division of Plasma Physics (APS DPP-09), Atlanta, Georgia, USA, November 2009 Mini-Conference on Unsteady Magnetic Reconnection in Laboratory and Nature

3 = Princeton Plasma Physics Laboratory (USA) = University of Tokyo (Japan) = Swarthmore College (USA) = MIT (USA) = University of Wisconsin - Madison (USA) = CalTech (USA) = Ruhr-University Bochum (Germany) = Los Alamos National Laboratory (USA) = University of California Los Angeles (USA) = Institute of General Physics (Russia) Научные центры, в которых проводятся целенаправленные эксперименты, посвященные проблемам магнитного пересоединения:

4 Experimental device CS-3D Institute of General Physics, Moscow, Russia

5 Принципиальная схема установки ТС-3D = 2D магнитное поле B = {-h y; -h x; 0} с нулевой линией на оси z, h 1 kG/cm; = Продольное магнитное поле B z 8 kG; = Суперпозиция двух полей формирует 3D магнитную конфигурацию с X линией. = Вакуумная камера (кварц) 18 cm, L = 100 cm, наполняется He, Ne, Ar, Kr или Xe; = Начальная плазма, N e 0 = cm -3, создается -разрядом; = Возбуждение тока: J z 100 kA, T/2 = 6 s, приводит к развитию токового слоя; = Методы диагностики: магнитные измерения, голографическая интерферометрия, спектроскопия, рентгеновские измерения. Поперечное сечение Вид сбоку

6 Схема двухканальных спектральных измерений на основе высокоскоростной программируемой электронно-оптической камеры «Nanogate 1-UF»

7 Ar 20 mTorr; h = 0.64 kG/cm; B Z = 2.9 kG; J Z = 65 kA; t = 1.9 s Магнитные силовые линии (A Z = const) в плоскости (x, y); A Z = 10 3 G cm Вакуумное магнитное поле Магнитное поле токового слоя Распределения по толщине слоя тангенциальной компоненты поля B X и плотности тока j Z Структура магнитного поля и распределение тока в плазме свидетельствуют о формировании токового слоя и концентрации магнитной энергии

8 Основные свойства токового слоя Токовый слой формируется в окрестности особой линии X типа 3D (или 2D) магнитного поля, при возбуждении электрического тока вдоль X линии. В плоскости перпендикулярной X линии токовый слой характеризуется двумя различающимися размерами: x / y 10. Плотность тока в слое j Z 3 kA/cm 2, магнитное поле у поверхности слоя B X T 4 kG. Несмотря на значительное ослабление нормальной к слою компоненты B Y T, в магнитном поле токового слоя содержится X линия.

9 Токовый слой – это область, где сконцентрирована плотная нагретая плазма = Развитие токового слоя сопровождается эффективным сжатием вещества и увеличением плотности плазмы в слое в 5-10 раз = Плазменные слои могут формироваться в 3D магнитных конфигурациях, в присутствии сильной продольной компоненты B Z 0, направленной вдоль X линии. = Максимальная концентрация электронов в слое, N e max cm -3, может на порядок величины превышать начальную концентрацию плазмы.

10 Эволюция пространственных распределений интенсивности спектральных линий Ar II и Ar III, концентрации и температуры электронов в токовом слое Концентрация и температура плазмы в каждый момент времени имеют максимальные значения в средней плоскости токового слоя (y=0) Г.С. Воронов и др. Физика плазмы 2008, 34, 1080.

11 Распределение вдоль толщины слоя тангенциальной компоненты магнитного поля B X (y), плотности тока j Z (у) и избыточного продольного магнитного поля B Z (у) Ar, 28 mTorr; h = 0.57 kG/cm; B Z 0 = 4.3 kG; J Z 70 kA = Избыточное продольное поле B Z (у) локализовано там и только там, где протекает основной ток в слое j Z. = Магнитное поле B Z создается токами плазмы в плоскости (x, y). = Суммарный ток, J X 57 kA, поддерживающий поле B Z, близок по величине к основному току вдоль X линии, J Z 70 kA, который инициирует формирование слоя. = При захвате в слой продольного поля структура токов в плазме приобретает 3D характер. Развитие токового слоя в 3D магнитной конфигурации приводит к усилению продольного магнитного поля B Z y, cm A.G. Frank et al. Phys. Lett.A 2009, V. 373, P

12 Эволюция температуры и концентрации электронов, эффективного заряда плазмы и концентрации ионов последовательной кратности ионизации в центральной плоскости токового слоя. Г.С. Воронов и др. // Физика плазмы 2008, 34, Диссипация тока приводит к увеличению как температур электронов и ионов, так и степени ионизации плазмы в слое Давление плотной плазмы в слое уравновешивается магнитным давлением вне слоя, т.е. справедливо условие равновесия: N e (T e +T i /Z i ) + ( B Z ) 2 /8 B x 2 /8 1 T e, T i, N e и Z i максимальны в средней плоскости токового слоя; при этом T i > T e

13 Силы, действующие вдоль поверхности токового слоя Нормальная к поверхности токового слоя компонента магнитного поля B Y T играет существенную роль в процессах генерации токов Холла и плазменных потоков. На основе магнитных измерений можно рассчитать силы Ампера, f X (x): f X (x) -1/c j Z (x) B Y T (x) f X (x) dx N i W X dyne cm -2 Н.П. Кирий и др. // Физика плазмы 2010, 36(3) Энергия потоков плазмы, ускоренных в слое, может достигать W X max 115 eV, при средней концентрации ионов N i cm -3. Время, необходимое для ускорения ионов Ar, составляет min 3.5 s. h = 0.5 kG/cm; Ar, 28 mTorr; J Z 75 kA; t 3.0 s y = 0.6 cm

14 Нагрев ионов и генерация плазменных потоков в токовом слое h = 0.5 kG/cm; Ar, 28 mTorr; J Z 75 kA Зависимость от времени температуры ионов ArII (1) и энергии потоков плазмы (2): W X 85 eV при t 4 s Токи обратного направления у боковых краев слоя, возникающие при t 3 5 μs, указывают на движение плазмы поперек магнитного поля B Y T : E i 1/c [v X B Y T ] h = 0.67 kG/cm; Ar, 20 mTorr; J Z 100 kA Н.П. Кирий и др. // Физика плазмы 2010, 36(3)

15 Структура токов Холла в сечении токового слоя и квадрупольный характер B Z компоненты магнитного поля = В пределах токового слоя могут возникать токи Холла, которые в плоскости (x,y), перпендикулярной к основному току в слое J Z, формируют четыре замкнутых токовых контура. Эти токи определяют квадрупольный характер B Z компоненты магнитного поля. = Суммарный ток Холла вдоль всей длины слоя достигает J X 130 –150 kA. A.G. Frank, S.G. Bugrov, V.S. Markov. Phys. Plasmas 2008, 15,

16 Импульсная фаза магнитного пересоединения = Экспериментально показано,что токовые слои могут находиться в метастабильном состоянии, без заметных изменений структуры и параметров, в течение продолжительных интервалов времени. = При определенных условиях в токовом слое может спонтанно возникать и развиваться импульсная фаза магнитного пересоединения, которая затем приводит к катастрофическому разрушению слоя. = Типичные черты импульсной фазы - резкое изменение топологии магнитного поля, перераспределение тока, возбуждение сверхальфвеновских волн, генерация плазменных потоков.

17 Magnetic structure of the current sheet at successive times (a half of the sheet cross section is shown) To trace the motion of magnetic field lines, each line has its own number and color on all plots. The onset of impulsive phase of magnetic reconnection occurs at t μs: the reconnection rate increases significantly, and the magnetic flux through the x axis exceeds the flux of the vacuum field in 3 times.

18 Current redistribution over the sheet width t = μs: current enhancement and magnetic island formation in the central region of the sheet (x = cm) t = μs: current reduction in the central region is accompanied by current increase in the adjacent regions (x = cm). t = μs: current is ejected from the sheet, so that the ratio J z tot / J z sh increases in 4 times.

19 2D distributions of the plasma density at successive times registered in a single shot of the experimental device. The structure of the plasma sheet is shown as the contour lines of equal plasma density, N e (x,y) = const. Plasma sheet disruption as a result of impulsive phase of magnetic reconnection

20 Ускорение частиц при разрушении токового слоя Появление ускоренных электронов (E 10 keV) коррелирует во времени с импульсной фазой магнитного пересоединения токового слоя, т.е. с его разрушением. B/ t E ind ускорение частиц Быстрая перестройка магнитной структуры токового слоя приводит к возбуждению индукционных электрических полей, которые могут ускорять заряженные частицы.

21 Unsteady magnetic reconnection in the laboratory current sheets displays principal features of the flare-type phenomena: = fast release of the accumulated magnetic energy; = intense plasma heating and mass ejections; = acceleration of charged particles. What are physical mechanisms, working as a trigger for the onset of impulsive phase of magnetic reconnection, which interrupts a prolonged metastable stage of the current sheet evolution ???

22 Plasma turbulence in the current sheets = In the course of impulsive phase of magnetic reconnection, both degradation of plasma conductivity and enhancement of anomalous electric fields take place. It follows that the turbulent processes occur in the current sheet plasma. = However, there are reasons to believe that plasma turbulence is a secondary effect, not a chief cause of the impulsive magnetic reconnection.

23 Time dependence of the electron current velocity in the sheet Here t = 0 is the time moment when the impulsive phase of magnetic reconnection starts. Sharp increase in the electron current velocity u dr is observed after the onset of impulsive phase of magnetic reconnection

24 Plasma emission in various spectral lines revealed plasma heating in the middle of the current sheet = nm E x = 130 eV = nm E x = eV = nm E x = 51.0 eV Radiation in spectral lines of the multicharged impurity ions made it evident that an increase in both the electron and ion temperatures takes place just before the start of the impulsive phase of magnetic reconnection.

25 Обнаружен стремительный рост температуры плазмы непосредственно перед началом импульсной фазы пересоединения Сверхбыстрый нагрев плазмы в «горячих точках» токового слоя является, по-видимому, наиболее вероятным триггерным механизмом, приводящим к нарушения поперечного равновесия слоя, его разрушению и высвобождению накопленной магнитной энергии. A key role of thermal processes in the flares was predicted by B. Coppi (1975) and S.I. Syrovatskii (1976)

26 Unsteady magnetic reconnection in 3D magnetic configurations with the X line Ar, p 20 mTorr, B Z 0 =0 A current sheet forms in 2D or 3D magnetic configuration with an X line: B = {h y; h x; B Z }. The tendency toward realization of the impulsive phase: h ; J Z max ; N e ; B Z 0 ??? M i ??? The experimental conditions h 0.6 kG/cm; J Z max 100 kA; gas filling: He, Ar, Ne. The actual magnetic field: B Y SH = B Y 0 + B Y J = h x + B y J ; B X SH = B X 0 + B X J = h y + B X J. No essential changes in the magnetic field structure no impulsive phase… Ne, p 16 mTorr, B Z 0 =2.9 kG B Y and B X are distinctive features of the impulsive phase!

27 = Observation of fast spontaneous variations in both in-plane magnetic field components, B X and B Y, suggests that the unsteady phase of magnetic reconnection can be realized in the 3D magnetic configurations with the X line, in the presence of the guide field B Z 0. = Occurrence of unsteady magnetic reconnection is extremely sensitive to the initial experimental conditions. Comments

28 Development of impulsive phase of magnetic reconnection in the current sheet v A = cm/s x = cm v 1 v 1 = cm/s x = cm v 2 v 2 = cm/s A perturbation of the metastable stage (here – sharp B Y change) appears in the center of the current sheet. Afterwards a non-linear wave propagates toward the the sheet edges with a super Alfven velocity. v A

29 Conclusions Unsteady magnetic reconnection in the laboratory current sheets displays the principal features of the flare-type phenomena, including fast magnetic energy release, intense plasma heating, mass ejections, acceleration of charged particles. Rapid increase in the thermal plasma energy in a magnetic island inside the current sheet is regarded as the most probable trigger for the onset of unsteady phase of magnetic reconnection.

30 Спасибо за внимание