CH、AL、およびCUのカウンターストリーミングプラズマにおけるイオンワイベルの不安定性の早期飽和の実験的証拠

衝突のないイオンワイベルの不安定性は、粒子衝突間の典型的な距離がシステムサイズよりもはるかに大きい多くの天体物理学システムで衝突のない衝撃の形成の主要な候補メカニズムです。このプロセスを研究することを目的とした複数の実験室実験は、レーザー駆動型（I≳10^{15} w/cm^{2}）、カウンターストリーミングプラズマフロー（V≲2000km/s）を利用して、ワイベル炎と成長に不安定な条件を作成します。。この手法は、ワイベル駆動型Bフィールドが生成および研究されている相互作用の中間面で、一時的に変化するプラズマ条件を本質的に生成します。ここで説明した実験は、CH、AL、およびCuプラズマを使用した複数の血漿条件下でのWeibel駆動型Bフィールドの堅牢な形成を示しています。ベンチマークされた放射線水力学フラッシュ計算に基づく線形理論は、進化に約5〜6の線形成長時間をとったプロトン画像のフーリエ分析と比較されます。ここに示されている新しい分析は、最初の線形成長時間（〜300-500 PS）に存在する低密度の高速プラズマ条件が、進化全体でワイベルフィラメントのスペクトル特性を設定することを示しています。飽和時のドミナント波長（〜300μm）は、これらの実験条件下での理論と一致して、非線形相に存在することが示されています。ただし、プロトンイメージングの経路統合された性質のために正確に決定するのは困難ですが、Bフィールド強度の推定値は〜10〜30 Tの範囲にあることが示されています。しかし、実験で一時的に血漿条件が一時的に変化するため、中間面の強化されたBフィールドと一致しています。

The collisionless ion-Weibel instability is a leading candidate mechanism for the formation of collisionless shocks in many astrophysical systems, where the typical distance between particle collisions is much larger than the system size. Multiple laboratory experiments aimed at studying this process utilize laser-driven (I≳10^{15} W/cm^{2}), counterstreaming plasma flows (V≲2000 km/s) to create conditions unstable to Weibel-filamentation and growth. This technique intrinsically produces temporally varying plasma conditions at the midplane of the interaction where Weibel-driven B fields are generated and studied. Experiments discussed herein demonstrate robust formation of Weibel-driven B fields under multiple plasma conditions using CH, Al, and Cu plasmas. Linear theory based on benchmarked radiation-hydrodynamic FLASH calculations is compared with Fourier analyses of proton images taken ∼5-6 linear growth times into the evolution. The new analyses presented here indicate that the low-density, high-velocity plasma-conditions present during the first linear-growth time (∼300-500 ps) sets the spectral characteristics of Weibel filaments during the entire evolution. It is shown that the dominant wavelength (∼300μm) at saturation persists well into the nonlinear phase, consistent with theory under these experimental conditions. However, estimates of B-field strength, while difficult to determine accurately due to the path-integrated nature of proton imaging, are shown to be in the ∼10-30 T range, an order of magnitude above the expected saturation limit in homogenous plamas but consistent with enhanced B fields in the midplane due to temporally varying plasma conditions in experiments.