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磁场重联作为等离子体中一种快速有效的能量释放机制,其概念已被物理学家广泛接受,并且为各种直接或间接的观测证据所印证。高能粒子是磁场重联中的重要现象,其产生机制一直是重要的研究课题。
本论文采用2.5维的Particle-in-cell全粒子数值模拟方法,研究了无碰撞磁场重联,特别是其中的电子加速问题,得到以下结果:
1.研究了X线区和O形区内电子的动力学过程,并比较了不同初始引导场对电子加速的影响。通过跟踪典型的电子发现,若初始引导场很弱,电子在X线及O形区均能被加速。低速电子进入重联中心X线区后,能被周围的电磁场束缚一段时间这时感应电场E<,z>能有效的加速电子。电子增能的主要机制是直流加速作用。被束缚在O形区内的电子,由于周围的电磁场较弱,能快速的在磁岛中来回弹射而得到加速。其加速机制可能为随机(stochastic)加速。若初始引导场很强,电子则主要在X线附近被加速,此时电子是磁化的,绕着引导中心旋转。类似于弱引导场的情况,在E<,z>较强的区域内,电子能得到z方向的有效加速。而且由于引导磁场的束缚作用,电子在X线附近停留的时间更长,因而增加的能量更多。但总体来说,弱引导场下,更多的电子获得加速,这也印证了弱引导场时重联率高于强引导场,更多的磁能转化为等离子体的能量。
2.通过对加速电子的统计分析发现,X线区电子加速的主要贡献来自垂直于模拟平面的感应电场,平面电场的作用很小。而磁岛内的情况则正好相反,平面电场对电子增能起主要作用,而感应电场贡献很小。
3.对弱引导场长电流片多重X线重联的模拟结果表明,磁岛合并的过程中有大量的高能电子产生,且分布在合并点附近。其产生机制类似于单X线重联时的直流加速。束缚在磁岛中的电子在也能获得加热和加速。通过试验电子的方法得知,重联过程中形成的磁岛内特殊的电磁场结构就能加速电子(即电磁场固定不变)。