شبيه سازي ذره‌اي ميرايي غير خطي لانداؤ در پلاسماي برخوردي و غير برخوردي

PIC Simulation of nonlinear Landau damping in the collisionless and collisional plasma

در اين مقاله ميرايي غير خطي لانداؤ و توليد مد BGK در پلاسماي غير مغناطيده توسط شبيه سازي ذره‌اي بررسي مي‌شود. بدين منظور محيط پلاسما كه شامل الكترون‌ها و يون‌ها است به صورت ذره‌اي شبيه سازي شده است. يون‌ها به دليل اينرسي زياد زمينه ثابتي را تشكيل مي‌دهند، در حالي كه الكترون‌ها به صورت ذره‌اي در نظر گرفته شده و ديناميك آنها از طريق حل معادله نيوتن به دست مي‌آيد. در ناحيه غير خطي پديده به دام افتادن ذرات در چاه پتانسيل موج مورد بررسي قرار گرفته و نشان داده شده است كه در آستانه ظهور اثرات غير خطي، ذرات به دام افتاده عامل توقف ميرايي خطي لانداؤ مي‌باشند و در نتيجه اين فرآيند، دامنه موج الكتروستاتيك حول مقدار تقريباً ثابتي شروع به نوسان مي‌كند. اثربرخورد بين ذره‌اي به وسيله وارد كردن مدل ساده‌اي براي جمله برخوردي در كد شبيه سازي بررسي گرديده كه نتايج آن با نظريه در تطابق كامل است. همان طور كه انتظار مي‌رفت برخورد بين ذرات باعث ميرايي برخوردي امواج الكتروستاتيك مي‌شود همچنين نرخ اين ميرايي متناسب با فركانس برخورد است.

In this article, non-linear Landau damping and generation of BGK mode in non-magnetized plasma are studied by using particle simulation. As plasma environment consists of electrons and ions, it is simulated by particle method and it is supposed that ions are considered as a motionless background. On the other hand, electron’s dynamic is obtained from solving Newton’s equation and the electrons are supposed as particles. In the non-linear region, trapping of particles in potential well is investigated. These trapped particles account for stopping linear landau damping and entering to the non-linear region, and as a result of this process, the amplitude of electrostatic wave oscillates around an approximately constant magnitude. The effect of collision between particles has been studied with the help of a simple model for the collision term in the simulation code and the result of the simulation code with the theoretical result is compatible. For this purpose, it is expected that the exponential damping of electrostatic waves is due to the collision, and the ratio of this damping is in proportion with collision frequency.