磁重联在斜相互作用的磁通管中受到阻碍的实验室证据gydF4y2Ba

由于磁重联在各种空间和天体物理事件(如太阳耀斑)中观测到的突然等离子体加热和粒子激活中所起的作用被怀疑，它是密集研究的主题gydF4y2Ba^{1gydF4y2Ba，gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba}，行星磁暴gydF4y2Ba^{4gydF4y2Ba，gydF4y2Ba5gydF4y2Ba，gydF4y2Ba6gydF4y2Ba}，通量转移事件gydF4y2Ba^{7gydF4y2Ba，gydF4y2Ba8gydF4y2Ba}即黑洞等离子体喷流gydF4y2Ba^9gydF4y2Ba．然而，在所有这些遥远的事件中，这种现象仍然难以用足够的分辨率来描述和测量。因此，利用各种实验平台，开发了许多互补的实验室实验来详细研究这一过程gydF4y2Ba^{10gydF4y2Ba，gydF4y2Ba11gydF4y2Ba，gydF4y2Ba12gydF4y2Ba，gydF4y2Ba13gydF4y2Ba}．然而，尽管有这样的实验努力和不断的理论发展来自许多团体gydF4y2Ba^{14gydF4y2Ba，gydF4y2Ba15gydF4y2Ba，gydF4y2Ba16gydF4y2Ba，gydF4y2Ba17gydF4y2Ba，gydF4y2Ba18gydF4y2Ba，gydF4y2Ba19gydF4y2Ba}但是，目前仍存在一些持续的困难，包括能否准确预测观测到的磁重连的快速发生。gydF4y2Ba

使情况复杂化的一个因素是磁场的拓扑结构。偏离了最初理论模型的理想化图景gydF4y2Ba^20.gydF4y2Ba，其中的研究仅限于反平行磁场的重新连接(例如，传入磁场的分量位于gydF4y2BaygydF4y2BazgydF4y2Ba平面)，自然事件中的磁场gydF4y2Ba^{21gydF4y2Ba，gydF4y2Ba22gydF4y2Ba}可以分解为反并行组件和可能的附加组件(例如，沿gydF4y2BaxgydF4y2Ba-轴)的磁场(通常称为导向场)。一个著名的例子是太阳拱的重连gydF4y2Ba^23gydF4y2Ba．它涉及从太阳表面的对流区出现的磁通管gydF4y2Ba^24gydF4y2Ba．这些熔剂管可以连接然后重新连接。最简单的重连图涉及到两个显示反平行磁场的直磁通管的相遇。实际上，这种情况是相当立体的，要么是由于一个磁通管相对于另一个磁通管的倾斜方向(我们的实验装置探索的配置，见下面)，要么是由于磁通管沿其轴的扭转，导致磁场的极向分量的增长gydF4y2Ba^25gydF4y2Ba(与沿磁芯场流动的电流有关)。社区在此面临的挑战是理解两个斜向磁通管之间如何发生重连，其中包括引导场的存在。gydF4y2Ba

同样，当离开太阳日冕并向地球漂移时，磁通绳(即扭曲的磁通管)可以与地球磁层顶相互作用，并最终在磁通转移事件(FTE)期间重新连接gydF4y2Ba^26gydF4y2Ba)．由于垂直于磁层顶的磁场的双极性分量的特征可以被清楚地识别，两个斜向磁通管之间的磁重连接已被现场观测证明gydF4y2Ba^{8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba27gydF4y2Ba，gydF4y2Ba28gydF4y2Ba}还有数值模拟gydF4y2Ba^{29gydF4y2Ba，gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba}．因此，两个斜向磁通管之间重新连接过程的改进效率似乎也是解释地球内部磁层(或其他行星)中质量、动量和能量如何被加载的关键点gydF4y2Ba^5gydF4y2Ba比如火星)来自太阳风的流动。gydF4y2Ba

然而，在研究导-场重连时，报告了相互矛盾的结果。对于强导场，即当它的强度与反平行平面内磁场的强度相当或更大时，相反的结果得到了强调，许多模拟研究表明重连是淬火的gydF4y2Ba^{31gydF4y2Ba，gydF4y2Ba32gydF4y2Ba，gydF4y2Ba33gydF4y2Ba}，但一项观察结果相反地报告说，引导场可能有助于发生快速重连gydF4y2Ba^22gydF4y2Ba．导流场较弱时，重连率不受影响gydF4y2Ba^{34gydF4y2Ba，gydF4y2Ba35gydF4y2Ba}，或者只有微弱的影响gydF4y2Ba^33gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

在这里，我们使用实验室测量数据，并将其与三维混合模拟进行比较，展示了两个通量管之间的弱角度如何强烈影响重连事件的速率。如图所示。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，我们使用两个对称和相邻的磁化等离子体羽，其对称轴或平行或倾斜。为了产生这些等离子体羽流，实验使用了两束200 j能量和5 ns持续时间的激光束(图中的L2和L3)。gydF4y2Ba1gydF4y2BaA)，辐照两个5-gydF4y2BaμgydF4y2Ba米gydF4y2Ba-厚铜箔，强度2.5 × 10gydF4y2Ba^14gydF4y2BaW /厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba(见方法)。激光产生两个热的、密集的相邻等离子体(间隔500gydF4y2BaμgydF4y2BaM)，以超音速相互膨胀(约81 km/s)gydF4y2Ba^36gydF4y2Ba对于所有激光脉冲持续时间。在每一个吹灭的等离子体中，由激光诱导的交叉密度和温度梯度产生磁场(即比尔曼电池效应)。gydF4y2Ba^37gydF4y2Ba．每个磁场的整体拓扑结构类似于一个与自身相连的磁通管(见图)。gydF4y2Ba1gydF4y2Bac).两个磁结构相遇后产生磁重连。中间区域是与磁场反转相关的电流表。这样的实验装置允许研究两个磁通管之间的重连接，具有可调的相对方向。gydF4y2Ba

按照参考文献中概述的方法。gydF4y2Ba36gydF4y2Ba，我们使用FCI2代码建模gydF4y2Ba^38gydF4y2Ba磁场的产生，与使用质子射线照相进行的测量相匹配(下面详细介绍)。靠近等离子体中心时，磁场被能斯特效应压缩向目标方向gydF4y2Ba^{36gydF4y2Ba，gydF4y2Ba39gydF4y2Ba}．然而，向边缘，也就是两个羽流相互作用的地方，磁场与等离子体流平流，也膨胀远离目标(沿gydF4y2BaxgydF4y2Ba设在)gydF4y2Ba^40gydF4y2Ba，导致离子的高度有几十个惯性长度。每个等离子体羽流的磁场强度为~300 T。下面详细的三维模拟模拟了这种磁性结构，如图所示。gydF4y2Ba1gydF4y2Bad。gydF4y2Ba

当两个等离子体被共面目标驱动时，即，gydF4y2BaθgydF4y2Ba(定义见图。gydF4y2Ba1gydF4y2BaB) = 0时，每个等离子体羽流内的磁场是反平行的，导致反平行合并。由于两个等离子体的收敛(小于1纳秒)，磁重连发生gydF4y2Ba^{12gydF4y2Ba，gydF4y2Ba41gydF4y2Ba，gydF4y2Ba42gydF4y2Ba，gydF4y2Ba43gydF4y2Ba，gydF4y2Ba44gydF4y2Ba，gydF4y2Ba45gydF4y2Ba}．现在，通过使一个目标相对于另一个目标倾斜角度gydF4y2BaθgydF4y2Ba，一个面外导向磁场(gydF4y2Ba\ ({B }_{{{{{{{{\ rm {x }}}}}}}}}={ 谭B} _ {yz} \ \θ/ 2 \)gydF4y2Ba，如图中红色箭头所示。gydF4y2Ba1gydF4y2BaB)在等离子体相遇区域自然产生。引导场强度(gydF4y2BaBgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba)通过修改控制gydF4y2BaθgydF4y2Ba(见图。gydF4y2Ba1gydF4y2Bab).注意当倾斜两个目标时，两个等离子体羽流之间的有效距离会增加。然而，在我们的条件下，当x = 230时，这个距离只增加了不到7%gydF4y2BaμgydF4y2BaM(或x = 25gydF4y2BadgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba在模拟中)为45gydF4y2Ba^∘gydF4y2Ba倾斜对比于共面结构中两个激光撞击之间的分离。这种适度的增加远远低于在实验和模拟观测数据中观察到的任何定量变化。我们进一步强调，倾斜不会显著影响两个通量管之间的相互作用体积，这将在下面详细说明。gydF4y2Ba

注意，由于这个倾斜角度，平面内磁场的强度(gydF4y2BaBgydF4y2Ba_{ygydF4y2BazgydF4y2Ba})最多减少8%，这低于子弹对子弹的波动。还要注意，这里的引导场是不均匀的，这与大多数数值研究的设置不同gydF4y2Ba^{31gydF4y2Ba，gydF4y2Ba33gydF4y2Ba，gydF4y2Ba35gydF4y2Ba，gydF4y2Ba46gydF4y2Ba}．然而，为什么平面外磁场在某些自然事件中是均匀的，而不是更像我们的实验设置(见参考文献中的例子)，这还没有明确的原因。gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba)．虽然均匀导场与某些重连事件有关gydF4y2Ba^47gydF4y2Ba，以前的数值研究使用均匀导流场作为数值简化。gydF4y2Ba

现在我们将详细描述在实验中观察到的特征，并确定所处的过程。我们诊断磁场的时间分辨空间分布的方法使用了快速的层流质子gydF4y2Ba^48gydF4y2Ba由高强度激光束(L1，如图所示。gydF4y2Ba1gydF4y2Baa).当这些质子通过图中所示的靶组件时，它们被磁场偏转。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，然后将它们收集到胶片上(RCF，参见方法)。因此，分析偏转测量模式可以得到探测质子沿途遇到的场的信息。如图所示的薄膜。gydF4y2Ba1gydF4y2Bae-g显示了14 MeV质子在不同实验配置下，共面和倾斜目标的剂量调制损伤。关于两个磁环之间相互作用的主要信息包含在两个等离子体(即电流片)中间的质子偏转计图中，因为该图是由路径积分磁场诱导的偏转的结果。我们可以观察到实验和合成(从模拟计算)的质子偏转测量图像如图所示。gydF4y2Ba1gydF4y2Bae-j两种主要图案:(A)一条黑色细线(见图)。gydF4y2Ba1gydF4y2Bae和h)和(B)如图所示的“嘴”形图案。gydF4y2Ba1gydF4y2BaF g i j。gydF4y2Ba

穿过磁场区的探测质子向外偏转(见方法)。因此，施加在它们身上的洛伦兹力偏转导致强磁场区里的质子剂量较低，而质子集中在磁场区里的边缘。这就是在电影中观察到的，既展示了实验和合成的白色区域(较少的质子剂量)，内部和外部的黑暗边缘。图(A)，质子图像中两个磁畴之间扩散区的黑色细线(见图)。gydF4y2Ba1gydF4y2BaE和h)表明探测质子只发生局部偏转，即偏转小于扩散区长度尺度。相反，模式(B)是由质子偏转的“超调”产生的:质子不再只是被推到区域的边缘，而是受到进一步的偏转，将它们推到相反区域的边界之外。因此，这证明了重连接部位的磁场梯度增加。gydF4y2Ba

由于(A)和(B)模式在共面靶和倾斜靶的情况下分别可以被识别，我们可以得出以下结论:共面靶发生重连，我们没有看到磁场的堆积，而在倾斜靶的情况下，引导场的出现，在反转区观察到磁场梯度增加。前者与先前观察到的情况一致gydF4y2Ba^49gydF4y2Ba在相似的共面几何结构和相似的激光参数中。相反，在倾斜的情况下，由于我们观察到磁场梯度增加，我们可以得出结论，重新连接的效率较低。这源于这样一个事实:在共面和倾斜的情况下，产生了相同数量的磁场，并向电流片收敛。然而，由于我们观察到，在倾斜的情况下，磁场不像在共面情况下那样有效地疏散，因此，这意味着它在电流片上积累。gydF4y2Ba

我们强调如图所示的质子x光片。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba只是实验中收集到的数据的一个次样本。上面详细的分析是基于更大的数据集，这支持这里讨论的特征的再现性。gydF4y2Ba

在光学域(见方法)观察到的起源于重连接区域的热等离子体的自发射(图中橙色框表示)。gydF4y2Ba1gydF4y2Bac)，如图所示。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，与观察到的引导场出现时效率较低的重连接相一致。自发射光在这里记录在电流片上，接近gydF4y2BazgydF4y2Ba= 0，沿两个等离子体的对称轴(thegydF4y2BazgydF4y2Ba-轴)，并在时间上条纹。发射等离子体处于光学薄的状态，这意味着自发射随等离子体密度的增大而增大，但随等离子体温度的增大而减小(见方法)。当只有一束激光束(L2或L3)照射目标组件时，我们观察到重连接区域，即250gydF4y2BaμgydF4y2Bam的距离，一个相当稳定的自发射随时间的变化(见图中的实线)。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)．与激光照射开始相比，这一过程发生了轻微的延迟(约0.3纳秒)，这是由于等离子体需要从激光能量沉积点横向向上扩展到观测位置。gydF4y2Ba

当两束激光束照射目标时，整体的行为是完全不同的。在自发射开始时，我们观察到与单束激光诱导的自发射相比，自发射首次增加。接下来是一个平台期，然后是下降(见图)。gydF4y2Ba2gydF4y2Bad).我们将第一个快速增加解释为，当两个膨胀等离子体压缩电流片(在重连接开始之前)时，堆积导致重连接区域的密度增加。在两束的情况下，自发射的降低可能是由于两个累积的因素:(i)当重连接发生时，累积的等离子体可以从重连接层中被抽离，因此其密度降低，(ii)当磁能转移到等离子体时，等离子体的温度升高。在没有导流场的情况下，发射量减小如图所示。gydF4y2Ba2gydF4y2BaD发生得更快，即大约1纳秒。这与在这个病例中发生的重新连接的开始是一致的。在导场的存在下，我们注意到三个变化:(1)等离子体发射的第一次增加被增强，(2)平台期持续时间更长，下降时间更晚，(3)后者的延迟随着导场强度的增加而增加(对比图中虚线和虚线)。gydF4y2Ba2gydF4y2Bad).所有这些都与图中观察到的较低效率的磁场重连接非常一致。gydF4y2Ba1gydF4y2BaF-h，当导向场相关联时。gydF4y2Ba

数字gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba表明，在导流场的存在下，强离子和电子能谱(见方法)也被记录沿电流片轴喷射gydF4y2BazgydF4y2Ba-轴)，即沿预期流出方向(如图所示。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．完全不同的是，在共面情况下，两个通道中的信号都不能在噪声水平以上被记录，或者在垂直方向(沿gydF4y2BaygydF4y2Ba设在)。gydF4y2Ba

在共面情况下没有信号并不那么令人惊讶:因为我们的光谱仪是在gydF4y2BaygydF4y2BazgydF4y2Ba-平面，沿着目标表面，它会错过沿着gydF4y2BaxgydF4y2Ba设在。这可能是大多数粒子在重连接后加速的情况:当等离子体流入中的粒子到达重连接区域时，它们将受到影响gydF4y2BaEgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba电场的分量。因此，电场的这个分量驱动粒子在gydF4y2BaxgydF4y2Ba方向gydF4y2Ba^{50gydF4y2Ba，gydF4y2Ba51gydF4y2Ba}．有趣的是，在引导场的存在下，也就是当有明显的磁场堆积时，可以看到强信号。因此，这些粒子在重连过程中可能不会加速，而是在实际重连之前，通过弹弓费米加速度gydF4y2Ba^50gydF4y2Ba或者betatron加速gydF4y2Ba^{51gydF4y2Ba，gydF4y2Ba52gydF4y2Ba}．由于如果有累积的磁场为加速提供动力，这些机制显然会变得更有效，因此在倾斜情况下应用的能量观测与在共面情况下磁场堆积的观测很好地兼容。gydF4y2Ba

用于磁重连接实验的端到端全尺寸模拟的合适的数值工具必须解决大规模问题(在没有任意边界条件的情况下正确处理流入和流出区域)与其至少在离子尺度上的微物理描述之间众所周知的对偶性。因此，我们选择使用三维混合代码AKAgydF4y2Ba^{53gydF4y2Ba，gydF4y2Ba54gydF4y2Ba}(见方法)。此代码根据PIC形式解决离子动力学问题，并通过10矩流体(gydF4y2BangydF4y2Ba，gydF4y2BaVgydF4y2Ba_egydF4y2Ba，gydF4y2BaPgydF4y2Ba_egydF4y2Ba)．我们在模拟中考虑了与实验中相同的共面和倾斜情况。为了模拟烧蚀过程，我们包括一个热算符泵电子压力在表面区域，和一个粒子创造算符维持恒定的固体目标密度。这两个算符允许产生和维持轴向电子密度梯度和径向电子温度梯度。结果，一个比尔曼电池磁场是连续产生的gydF4y2Ba^{36gydF4y2Ba，gydF4y2Ba39gydF4y2Ba}．数字gydF4y2Ba4gydF4y2BaA b说明这个gydF4y2BaBgydF4y2Ba_zgydF4y2Ba/gydF4y2BaBgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba字段中的gydF4y2BaxgydF4y2BaygydF4y2Ba-平面，即与激光轴正交并通过的平面gydF4y2BazgydF4y2Ba= 0在两个等离子体之间。为了达到实验观测到的磁场的曲率半径并节省计算资源，我们考虑了这两个算子的椭圆轮廓。所得结构的主半轴为34dgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba(gydF4y2BadgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba是离子的惯性长度)，而小子是23dgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba，重新连接电流片的曲率半径为50d量级gydF4y2Ba_0gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

当增加目标之间的倾斜时，我们在扩散区观察到的是磁场平面外分量的增长。与此同时，我们还观察到:(1)磁场反转区域的磁场梯度增加(见图。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba)，这与(2)电流片厚度减少(见下文)，(3)同一区域的电子密度增加(这里没有显示)，(4)重连接区域的电子温度降低(见图)有关。gydF4y2Ba5gydF4y2Bab).我们还指出(5)磁重连接效率的降低(见图。gydF4y2Ba5gydF4y2BaA)一致性gydF4y2Ba^55gydF4y2Ba观察到(6)血浆减少gydF4y2BaβgydF4y2Ba参数(即电子压力与磁场压力之比)在场反转时(见图。gydF4y2Ba6gydF4y2Baa - c)。我们现在详细描述了与实验结果一致的模拟观察结果。gydF4y2Ba

我们首先关注倾斜等离子体羽流轴时所观察到的磁场梯度的增加(见图)。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．较强的磁场梯度使周围磁场反转的倾斜度增大，特别是靠近目标(gydF4y2BaxgydF4y2Ba= 0)，通过对比图可以看出gydF4y2Ba4gydF4y2BaA和b(见较窄的gydF4y2BaBgydF4y2Ba_zgydF4y2Ba= 0附近区域gydF4y2BaygydF4y2Ba倾斜情况下= 0)。它们分别对应于共面情况(gydF4y2BaθgydF4y2Ba= 0gydF4y2Ba^∘gydF4y2Ba)和倾斜的情况(gydF4y2BaθgydF4y2Ba= 15gydF4y2Ba^∘gydF4y2Ba)．在∫剖面上还可以进一步看到场梯度gydF4y2BadgydF4y2BaxgydF4y2Ba（gydF4y2BaBgydF4y2Ba_zgydF4y2Ba)，如图所示。gydF4y2Ba4gydF4y2BaC为考虑的两种情况(见周围磁场反转的更尖锐的梯度gydF4y2BaygydF4y2Ba= 0表示gydF4y2BaθgydF4y2Ba= 15gydF4y2Ba^∘gydF4y2Ba例)。在倾斜的情况下，更尖锐的梯度驱动质子射线照相的口形结构，在实验和模拟中都观察到，见图。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba．我们观察到磁梯度的锐化是由电流片厚度的减小引起的(点(4))，如图所示。gydF4y2Ba6gydF4y2Bad-f。gydF4y2Ba

如实验中所示(见图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)，我们还在模拟中观察到，当磁化等离子体羽流倾斜时，电子加热减少(见图。gydF4y2Ba5gydF4y2Ba)．以下是我们最近的研究gydF4y2Ba^56gydF4y2Ba对称的低gydF4y2BaβgydF4y2Ba重连接，电子流入速度的梯度减小(由压缩导场引起，沿该方向产生电流)gydF4y2BaygydF4y2Ba)反过来又导致电子压力的低效率增加。因此，与共面情况相比，在倾斜情况下，密度增加和电子压力降低的累积效应导致电子温度下降。这是在模拟中清楚观察到的，如图所示。gydF4y2Ba5gydF4y2Bab.此处所绘的标量值直接等于电子压力张量迹的三分之一，除以电子密度。倾斜情况下温度的降低与实验测温诊断的结果很一致(见图。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)．gydF4y2Ba

我们现在讨论在倾斜目标情况下观察到的较低的重连接效率。除了对重连电场的直接评估gydF4y2Ba^57gydF4y2Ba，另一种方法是关注耗散项gydF4y2BaJgydF4y2Ba⋅gydF4y2BaEgydF4y2Ba通常用卫星进行现场测量gydF4y2Ba^{6gydF4y2Ba，gydF4y2Ba58gydF4y2Ba}或者在实验室实验中gydF4y2Ba^59gydF4y2Ba．我们在电子坐标系中计算这一项，电子坐标系是集成在电流片内的，对于gydF4y2Ba∣gydF4y2BaygydF4y2Ba/gydF4y2BadgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba∣gydF4y2Ba< 5。为了只回收从场转移到粒子的能量，我们保留gydF4y2BaJgydF4y2Ba⋅gydF4y2BaEgydF4y2Ba> 0组件，如图所示。gydF4y2Ba5gydF4y2BaA，任意单位。可以清楚地观察到，倾斜角度越大(即导向场)，耗散就越小。虽然不是直接的证据，但这一观察结果强烈支持倾斜情况下重连过程的效率降低，这是我们从图中所示的实验质子x光片推断出来的。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba．这也与先前的研究一致，因为引导场的存在，重连接过程减慢gydF4y2Ba^{32gydF4y2Ba，gydF4y2Ba33gydF4y2Ba}．gydF4y2Ba

我们检查了观察到的重连效率降低不仅仅是由于几何效应，也就是说，我们检查了两个等离子体羽流之间的相互作用体积在两个目标倾斜时没有被明显修改。为了验证这一点，我们计算了扩散体积的时间演化，见图。gydF4y2Ba5gydF4y2Bac.这说明当目标倾斜时，相互作用体积受到的影响很小。同样,无花果。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba显示当前工作表长度不取决于gydF4y2BaθgydF4y2Ba角度，除了靠近目标外，目标的表面将限制当前工作表的长度(这里没有显示)。这个几何方面是有效的gydF4y2BaxgydF4y2BalgydF4y2Ba_{CgydF4y2Ba年代gydF4y2Ba}/ (2gydF4y2BatgydF4y2Ba一个gydF4y2BangydF4y2Ba(90gydF4y2Ba^∘gydF4y2Ba−gydF4y2BaθgydF4y2Ba/ 2)),在那里gydF4y2BalgydF4y2Ba_{CgydF4y2Ba年代gydF4y2Ba}当前的板材长度，对于小角度倾斜配置是可以忽略不计的，并对其有影响吗gydF4y2BaxgydF4y2Ba< 9 dgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba在45人中gydF4y2Ba^∘gydF4y2Ba构型见图。gydF4y2Ba5gydF4y2Bad。gydF4y2Ba5gydF4y2BaD表示重连接效率的x依赖性。类似于图。gydF4y2Ba5gydF4y2Baa，我们在yz平面上对耗散项进行积分(与图相反)。gydF4y2Ba5gydF4y2Baa，其中它是体积集成的)，以评估重新连接如何依赖于x。共面和小角度倾斜的效率(15gydF4y2Ba^∘gydF4y2Ba和30gydF4y2Ba^∘gydF4y2Ba)的情况有类似的趋势，即它以相同的方式作为x的函数或多或少地上升。注意，这是正确的，虽然整体效率在30gydF4y2Ba^∘gydF4y2Ba在共面情况下约简。对于45人来说gydF4y2Ba^∘gydF4y2Ba-tilt配置时，我们注意到不仅整体效率更低，而且只有在x值更大的情况下，它才比其他情况更有效。这种效率损失在接近目标时是显著的(x < 9gydF4y2BadgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba）;我们将其归因于上述讨论的几何方面，即目标倾斜减少，接近目标表面，两个等离子体相互作用的长度。实验观测结果进一步证实了数值观测结果:(i)两个磁通管之间的磁相互作用区长度以及(ii)被加热等离子体的长度(重新连接后)随着两个目标之间倾斜角度的变化呈微弱变化，如图所示。gydF4y2Ba1gydF4y2Bae-g和Fig。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba分别得了。所有这一切都是由于，虽然有一个轴向梯度(即，沿gydF4y2BaxgydF4y2Ba-方向)的等离子体参数，相关的gydF4y2BaBgydF4y2Ba_zgydF4y2Ba磁场强弱取决于gydF4y2BaxgydF4y2Ba的位置。这是因为等离子羽流的高度，在它的边缘gydF4y2Ba^40gydF4y2Ba，大于它的半径，所以每个通量管面对它的孪生兄弟有局部可比的等离子体参数值。结果，正如实验和模拟所证明的，即使在倾斜的情况下，长度(沿gydF4y2BazgydF4y2Ba轴)的电流表是弱依赖的gydF4y2BaxgydF4y2Ba坐标什么的gydF4y2BaθgydF4y2Ba角。虽然我们没有观察到不同构型的电流片长度有任何差异，但是，当一个人远离目标表面时，倾斜构型中的电流片变得更不稳定，如图所示。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba胃肠道。这是由于靠近等离子体羽流顶部的等离子体平流主要朝向目标。这导致更少的磁通流向电流片，从而减少磁压缩和磁压力，如图所示。gydF4y2Ba4gydF4y2Ba．当磁压力降低时，电流片更容易发生剪切流失稳等其他过程gydF4y2Ba^60gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

除了上面讨论的耗散项，以前的工作gydF4y2Ba^55gydF4y2Ba提出，为了衡量重连接的效率，缩放比尔曼介导的重连接率与电子成比例gydF4y2BaβgydF4y2Ba等离子体参数。数字gydF4y2Ba6gydF4y2BaA-c表示计算出的电子gydF4y2BaβgydF4y2Ba共面和标题构型的等离子体参数。的gydF4y2BaβgydF4y2Ba参数在共面情况下的场反转处为~10，在共面情况下减小了2倍gydF4y2BaθgydF4y2Ba= 45gydF4y2Ba^∘gydF4y2Ba模拟。图中显示。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba限制为−20 zgydF4y2Ba/gydF4y2BadgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba< + 20，我们计算gydF4y2BazgydF4y2Ba-当前表的扩展及其平均值gydF4y2BaygydF4y2Ba-厚度，以便计算它们的比例，这被称为当前页的纵横比。很明显，这个纵横比小于50，这意味着这个洋流对次级岛屿来说不是不稳定的gydF4y2Ba^61gydF4y2Ba不管倾斜角度是多少。数字gydF4y2Ba1gydF4y2BaI-j不仅在所有情况下显示相当可比的电流片长度，而且也接近相关的电流密度值gydF4y2BaJgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba因为，如上所述，质子射线照相是对磁场压缩的直接测量。gydF4y2Ba

总之，通过实验室实验和三维混合模拟，我们提出了如何以非常可再现的方式，提高磁通管之间的倾斜角度时，磁重连接的效率降低。实验观察表明，当增大两个靶间的夹角时，电流片的磁压缩增强，电流片中的电子密度增大，电子温度降低。3D混合pic模拟与观测结果一致，并强调当增加目标之间的角度(即两个通量管之间的角度)时，这些特征伴随着重连接过程效率的下降。gydF4y2Ba

我们注意到，我们在这里探索的倾斜配置与地球磁层顶的通量转移事件有关gydF4y2Ba^7gydF4y2Ba以及重新连接太阳拱门gydF4y2Ba^{3.gydF4y2Ba，gydF4y2Ba62gydF4y2Ba}．研究结果表明，在这样的自然环境中，即使两个磁通管之间的角度很小，也会显著降低重接效率。然而，到目前为止，在这些自然事件中，这种倾斜角度的影响还难以仅从观测结果中断言，因此目前还无法就观测结果背后的机制得出结论性的答案。在这个框架中，我们的结果可以通过在它们的分析中添加约束来提高对这些重连接事件的理解。gydF4y2Ba

激光实验gydF4y2Ba

该实验是使用LULI实验室(法国)的LULI2000激光设备进行的。使用了三束激光:光束L2和L3(见图)。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)长5纳斯(方形颞形)。这两束光同时(在100 ps内)照射两个5-的铜箔gydF4y2BaμgydF4y2Ba米gydF4y2Ba厚度。如图所示。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，两个箔可以倾斜，一个由gydF4y2BaθgydF4y2Ba/2，另一个由−gydF4y2BaθgydF4y2Ba/2，使得在一个目标上创建的方位角磁通管总体上倾斜了一个角度gydF4y2BaθgydF4y2Ba相对于在另一目标上创建的另一磁通量管。这样的配置允许我们有，如图所示gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，沿着gydF4y2BaxgydF4y2Ba-轴，在重连接平面之外的磁场分量gydF4y2BaygydF4y2BazgydF4y2Ba平面)，导致产生导流场。我们用这个装置来产生导流场，而不是外部施加的磁场gydF4y2Ba^63gydF4y2Ba因为后者会将我们限制在非常弱的(几十个T)场。我们通过比较四种不同的情况来研究导流场的影响:共面(gydF4y2BaθgydF4y2Ba= 0gydF4y2Ba^∘gydF4y2Ba), 15gydF4y2Ba^∘gydF4y2Ba, 30gydF4y2Ba^∘gydF4y2Ba、45岁gydF4y2Ba^∘gydF4y2Ba分别对应以下比率gydF4y2BaBgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba/gydF4y2BaBgydF4y2Ba_{ygydF4y2BazgydF4y2Ba}的导磁场强度(gydF4y2BaBgydF4y2Ba_xgydF4y2Ba)在反平行磁场(gydF4y2BaBgydF4y2Ba_{ygydF4y2BazgydF4y2Ba}): 0, 0.13, 0.27, 0.41。两个激光焦斑焦距相差500gydF4y2BaμgydF4y2Bam为图中数据。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba．每个激光束都有1.064gydF4y2BaμgydF4y2Bam波长和200j能量。他们配备了随机相位板gydF4y2Ba^64gydF4y2Ba在聚焦透镜的前面，使焦点光斑为80gydF4y2BaμgydF4y2Ba直径M，强度分布均匀。结果，固体靶上的强度是gydF4y2Ba我gydF4y2Ba~2.5 × 10gydF4y2Ba^14gydF4y2BaW /厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba．实验的初始条件，即激光-目标相互作用的每个光点，是使用水辐射FCI2代码建模的gydF4y2Ba^38gydF4y2Ba．模拟的条件是用等离子体产生的时间积分x射线发射进行实验锚定的，并在实验过程中进行记录。该发射由一对聚焦光谱仪(FSSR)记录。gydF4y2Ba^65gydF4y2Ba．每个光谱仪使用一个球弯曲云母晶体参数2gydF4y2BadgydF4y2Ba= 19.9376 Å，曲率半径R = 150 mm。它们被用于测量多电荷铜离子在9.0−9.5 Å (1300-1380 eV)的二阶反射范围内的x射线光谱，空间分辨率约为35gydF4y2BaμgydF4y2Bam. x射线光谱记录在无源探测器上，即TR富士胶片成像板上gydF4y2Ba^66gydF4y2Ba，用薄聚丙烯滤光片(1gydF4y2BaμgydF4y2Ba)覆盖了一层200纳米厚的铝涂层。gydF4y2Ba

诊断gydF4y2Ba

主要的诊断方法是质子偏转仪gydF4y2Ba^67gydF4y2Ba．为了观察L2和L3辐照靶T2和T3诱导的两根磁通管的膨胀，以及两根磁通管相互作用后整体磁场拓扑的变化，进行了该实验。由于L2和L3激光器产生的磁场大多包含在靶体T2和T3的表面gydF4y2Ba^{36gydF4y2Ba，gydF4y2Ba39gydF4y2Ba}，探测质子准平行于目标法线发射(见图。gydF4y2Ba1gydF4y2Baa, b)，这样就可以记录由与探测磁场相关的洛伦兹力引起的偏转gydF4y2Ba^{12gydF4y2Ba，gydF4y2Ba67gydF4y2Ba}．探测质子的剂量分布，最初相当均匀gydF4y2Ba^48gydF4y2Ba在它们离开源目标后，由于这些偏转而被调制，它的投影被记录在胶片上。由于磁场相对于面向照射激光脉冲(L2或L3)的目标法线呈逆时针方向，gydF4y2Ba^{12gydF4y2Ba，gydF4y2Ba36gydF4y2Ba，gydF4y2Ba39gydF4y2Ba}，探测质子通过目标T2和T3的背面，使其受到的洛伦兹力偏转是向外的。这导致了观察到的质子(白色区域)从每个激光辐照点的中心疏散，并在边缘的暗边缘，这是质子积累的代名词，如图所示。gydF4y2Ba1gydF4y2Baeg。gydF4y2Ba

为了产生探测质子束，我们利用了LULI2000设备的皮秒持续时间激光束(图中L1)。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．该装置提供的激光束对靶能量接近60 J，光斑直径为10gydF4y2BaμgydF4y2Bam。因此，其对靶强度为gydF4y2Ba我gydF4y2Ba~1 × 10gydF4y2Ba^19gydF4y2BaW /厘米gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba，使我们可以产生一个质子源从箔的后表面，作为加速的目标正常鞘加速(TNSA)机制gydF4y2Ba^68gydF4y2Ba．这种机制产生的质子波束，其能谱的特征是100%色散和20-30 MeV量级的最大能量截止，在不同的发射之间变化。由于这种tnsa加速质子束的源尺寸很小(只有几微米量级)gydF4y2Ba^69gydF4y2Ba)时，分辨率不受质子源大小的限制，而是受穿越固体目标时受到的多重库仑散射的限制(见下文)。在实际应用中，目标T2和T3平面的空间分辨率为120gydF4y2BaμgydF4y2BaM，这对我们的调查来说已经足够了。tnsa加速质子束的另一个优点是质子束的最大孔径可以达到20的半角gydF4y2Ba^{∘gydF4y2Ba70gydF4y2Ba}这使得系统更紧凑:质子源可以靠近被探测对象，同时确保覆盖广阔的视野。例如，由比尔曼电池机构产生的磁通管(如图所示)。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)直径约1至2毫米。要对它们进行射线照相，只需将质子源放置在距离磁化等离子体r = 1 cm处，探测器放置在另一侧l = 9 cm处即可。投影到探测器上的放大倍数，用来将探测器上观察到的比例尺与等离子体中的比例尺联系起来，因此M = (l + r)/r = 10。gydF4y2Ba

由于质子加速过程的持续时间很短(一皮秒量级)gydF4y2Ba^71gydF4y2Ba)，时间分辨率主要受限于在每个探测器薄膜中记录的质子能量的范围，该范围在薄膜堆栈中变化。在实践中，如图所示的薄膜。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba对应于14±0.5 MeV，产生6.9 ps的时间分辨率，与场演化的纳秒时间尺度相比可以忽略不计gydF4y2Ba^67gydF4y2Ba．通过固体目标传播后，质子被记录在一堆放射性致变色薄膜上gydF4y2Ba^72gydF4y2Ba放置在距离固体目标9厘米的地方。堆叠由HD-v2和EBT3薄膜组成gydF4y2Ba^72gydF4y2Ba，有一个12gydF4y2BaμgydF4y2Bam厚铝箔正面，保护薄膜免受光和碎片的伤害。请注意，相对于纳秒光束驱动的等离子体羽流的能量密度，质子束的能量密度是可以忽略不计的(图中卡通中的L2和L3)。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)．因此，等离子体羽流不受传播质子存在的影响。gydF4y2Ba

用时间分辨率诊断等离子体的自发射(如图5所示)。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)，我们实现了一个光学系统，沿轴对等离子体成像gydF4y2BazgydF4y2Ba，安装在条纹相机(滨松S20型)的入口狭缝上。如图所示。gydF4y2Ba1gydF4y2Ba，等离子体的成像是通过透镜将激光束L2聚焦在目标上并在位于该透镜上游的薄膜的反射中进行的。用彩色玻璃滤光片(肖特公司的BG38)滤掉发射光谱的短波长;由于相机在该区域的灵敏度大大降低，光谱的长波长部分同样从测量中去除。结果，我们在(470±135)nm的光谱范围内记录光。诊断的输出是一个图像，该图像在一个轴上提供沿当前表的空间分辨率，在另一个轴上提供时间分辨率，如图的原始数据所示。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba得了。基于我们实验组态的水辐射模拟(使用FCI2代码)，我们分析了发射率的最大值来自光学薄等离子体:在重连接区，电子密度为1 × 10量级gydF4y2Ba^20.gydF4y2Ba厘米gydF4y2Ba^{−3gydF4y2Ba}，可见光子的平均自由路径为46.1gydF4y2BaμgydF4y2BaM，与等离子体梯度刻度长度为20-40的阶数相同gydF4y2BaμgydF4y2Bam.因此，在诊断光谱观测范围内，轫致辐射是主要的发射机制gydF4y2Ba^73gydF4y2Ba．因此，等离子体的发射率可表示为:gydF4y2Ba\ ({E} _ {ff} \ sim Z \ * {n} _ {E} ^ {2} / (({T} _ {E}) 1/2 \乘以{g} _ {ff} \ \ν]\)gydF4y2Ba,在那里gydF4y2BaggydF4y2Ba_{fgydF4y2BafgydF4y2Ba}平均速度是憔悴因子吗gydF4y2Ba^74gydF4y2Ba,gydF4y2BaνgydF4y2Ba是诊断的频谱带宽。gydF4y2Ba

粒子光谱分析是在离子和电子上同时进行的，通过使用不同的探测器记录在永磁体中分散的带正电荷和负电荷的粒子，遵循最初在Nova-PW激光器上进行实验的设计gydF4y2Ba^75gydF4y2Ba．磁谱仪被设置为分析沿电流片(轴)离开等离子体的粒子gydF4y2BazgydF4y2Ba在我们的设置中)，即在流出的预期方向上。诊断依赖于粒子在一个众所周知的磁场中的偏转。本实验使用的探测器为成像板gydF4y2Ba^76gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

数值模拟gydF4y2Ba

在我们的数值模型中，电子以流体的方式描述，即十矩模型。这十个瞬间就是密度gydF4y2Ba- ngydF4y2Ba(等于离子总密度由准中性计)，体速-gydF4y2BaVgydF4y2Ba_egydF4y2Ba六分量压力张量-gydF4y2BaPgydF4y2Ba_egydF4y2Ba．为了恰当地描述离子在离子扩散区与磁场的解耦，我们将离子描述保持在粒子级别。因此，我们使用混合代码，也就是这里的代码AKAgydF4y2Ba^{53gydF4y2Ba，gydF4y2Ba54gydF4y2Ba}，以以往守则的一般原则和经过充分评估的原则为基础gydF4y2Ba^77gydF4y2Ba喜欢诘问gydF4y2Ba^78gydF4y2Ba，具有先进的功能，如消融算子和六分量电子压力张量。gydF4y2Ba

电磁场以低频(达尔文)近似处理，因为我们认为电磁波动的相速度比光速小。忽略位移电流，我们写出电子欧姆定律如下:gydF4y2Ba

在Eq. (gydF4y2Ba1gydF4y2Ba)，gydF4y2BaVgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba是离子体积速度，gydF4y2BangydF4y2Ba是电子密度，gydF4y2BaJgydF4y2Ba总电流密度是否等于的旋度gydF4y2BaBgydF4y2Ba,gydF4y2BaηgydF4y2Ba为定值电阻率。我们对六分量压力张量演化方程采用显式积分格式gydF4y2Ba^56gydF4y2Ba．磁场和密度归一化为gydF4y2BaBgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba而且gydF4y2BangydF4y2Ba_0gydF4y2Ba分别将长度归一化为离子惯性长度gydF4y2BadgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba(用密度计算gydF4y2BangydF4y2Ba_0gydF4y2Ba)，时间归一化为离子陀螺频率的倒数gydF4y2Ba\({\ω}_ {0}^ {1}\)gydF4y2Ba(用磁场计算gydF4y2BaBgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba)，速度归一化为Alfvén速度gydF4y2BaVgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba(计算使用gydF4y2BaBgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba而且gydF4y2BangydF4y2Ba_0gydF4y2Ba)．质量和电荷归一化为离子。其他量的归一化是从这些量开始的。对于电阻率项，我们设gydF4y2BaηgydF4y2Ba= 0.1:虽然它在亚离子尺度上提供了耗散过程，但它仍然小于电子压力张量对重连接过程的贡献，无论其尺度如何。gydF4y2Ba

我们使用280 × 175 × 175网格，对应的网格尺寸为0.4gydF4y2BadgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba在所有方向上，时间步长是5 × 10gydF4y2Ba^{−3gydF4y2Ba}\({\ω}_ {0}^ {1}\)gydF4y2Ba，并在各个方向设置自由边界条件:演化方程(法拉第定律和压力张量演化方程)为阻尼层，粒子为流出边界。对于压力张量演化方程中的回旋项积分，我们使用了简化的离子与电子质量比gydF4y2BaμgydF4y2Ba= 10，同时保持松弛参数gydF4y2BaτgydF4y2Ba^56gydF4y2Ba在电子时间尺度上(gydF4y2BaτgydF4y2Ba= 0.01)的数值稳定性。gydF4y2Ba

采用包括热算符和粒子生成算符在内的烧蚀算符模拟激光-靶相互作用产生的连续等离子体。烧蚀算子工作在与激光焦斑相对应的近目标表面区域的局部区域。我们使用椭圆形状的焦点，大小为34gydF4y2BadgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba对于长轴和23gydF4y2BadgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba为了节省计算资源。选择的参数允许接近磁通管的实验曲率半径，这是50个离子惯性长度的量级。焦点中心之间的距离是56gydF4y2BadgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba．热算符提供了焦点点的压力增加，该焦点点的空间剖面使用五阶多项式设置gydF4y2Ba^79gydF4y2Ba它从焦点中心的最大值平滑地递减到边缘的零。离子，反过来，被上升的电子压力梯度加速。随着时间的推移，压力逐步增加(步骤是恒定的)，以获得所需的温度(gydF4y2Ba\ ({T} _{现货}^ {e} \)gydF4y2Ba= 4gydF4y2BaTgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba在哪里gydF4y2Ba\ ({T} _ {0} = {B} _ {0} ^ {2} / {n} _ {0} \)gydF4y2Ba)．等离子体膨胀速度达到最大1.5gydF4y2BaVgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba当等离子体自由膨胀，然后四处振荡gydF4y2BaVgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba直到模拟结束。粒子创建算符维持恒定的目标密度(gydF4y2BangydF4y2Ba_{tgydF4y2Ba一个gydF4y2BargydF4y2BaggydF4y2Ba}= 2gydF4y2BangydF4y2Ba_0gydF4y2Ba)，模拟固体密度目标的储层。粒子在指定的冷目标温度(1 × 10gydF4y2Ba^{−4gydF4y2Ba}TgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba)．自生磁场的大小为0.25量级gydF4y2BaBgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba．gydF4y2Ba