偶極場是一種自然的等離子體磁約束位形，普遍存在于宇宙行星空間，是空間科學和基礎等離子體物理的重要研究對象（圖1）。北航beat365英国官网网站等離子體物理學科李博課題組經過三年多的努力，獨立自主開發了研究偶極磁場約束下的等離子體湍流模拟代碼，在實驗室磁層湍流輸運研究方向取得系列進展。實驗室磁層是在實驗室裡利用磁懸浮的超導電流線圈産生和地球磁場相似的磁場位形。實驗室磁層可以用來約束高溫帶電粒子，從而研究地球輻射帶以及偶極場約束物理。目前國際上的主要實驗室磁層裝置包括美國麻省理工學院的LDX裝置和日本東京大學的RT-1裝置（圖2）。

課題組通過推導偶極場幾何位形下的磁通管平均的理想磁流體以及雙流體方程，從而實現對偶極場實驗室等離子體的全裝置湍流模拟（圖3）。研究發現等離子體壓強驅動的不穩定性的非線性發展導緻自發、随機的大幅度電場漲落，而相應引起的大尺度對流結構導緻帶電粒子向等離子體中心内部的湍流輸運。這一結果能夠幫助我們理解地球輻射帶形成以及輻射帶中的高能帶電粒子獨特的逆梯度輸運過程。另外模拟結果還顯示了偶極場等離子體獨特的中心峰壓強和密度徑向剖面，預測了偶極場等離子體能量約束時間定标律，因此研究結果還可以應用于偶極場位形下高溫等離子體的磁約束聚變研究。美國哥倫比亞大學教授Michael Mauel評論該工作“You solved an important nonlinear problem and successfully demonstrated one of the first “whole device” simulations of a magnetically confined plasma.”

圖1 地球偶極磁場和輻射帶

圖2目前國際上兩個主要的實驗室磁層裝置LDX（麻省理工學院）和RT-1（東京大學）的示意圖及運行參數

圖3電勢、熵函數以及粒子數的結構在線性階段(上排)，非線性早期(中排)，非線性後期(下排)

相關結果先後發表在國際等離子體物理領域主要期刊Physics of Plasmas和Physical Review E（Rapid Communications）。文章作者包括北航beat365英国官网网站碩士生周振宇以及本科生李卓懿，李博教授是文章的通訊作者。合作單位包括北京大學、美國達特茅斯學院以及美國哥倫比亞大學。該研究工作得到國家自然科學基金面上項目支持。

相關論文:

Bo Li, Lipeng Wang, Weike Ou, Zhenyu Zhou, Zhuoyi Li, B. N. Rogers and M. E. Mauel, Self-organized confinement in whole-device modeling of laboratory magnetospheres,Physics of Plasmas 28, 102301 (2021)

Weike Ou, Lipeng Wang,Bo Li* and B. N. Rogers, Turbulent pinch in whole-plasma simulations of a dipole-confined plasma,Physical Review E 101, 021201(R) (2020)