基于粒子云方法研究地磁场对运动电子束的时空分布影响

冯明航，付松，倪彬彬，雷良建，焦鹿怀

（武汉大学电子信息学院，武汉 430072）

0 引言

地球空间存在大量的带电粒子束结构[1-2]，一般而言，自然的电子束往往可以由波粒相互作用产生的粒子沉降或者等离子体不稳定性引起[3-6]。这些粒子束中的带电粒子往往具有很高的动能和很强的方向性，因此不但可以影响空间天气和空间环境[7]，还可能通过总剂量辐射损伤、单粒子效应和充放电效应等对运行在地球空间的人造天体造成潜在的重要危害[8-10]。长期以来，空间环境中的带电粒子束尤其是电子束一直是空间物理学的重要研究内容，科学家通过天基、地基观测，理论分析以及数值模拟来研究电子束在空间环境中的形成、演化以及消亡等关键过程[11-12]，希望能够准确预测电子束的时空分布来降低或者避免其对人造天体的危害。

研究电子束在地球空间环境所起作用的一个重要问题是，电子束在传输过程中自场效应以及对背景地磁场的响应的空间电荷效应耦合结果，将如何影响电子束的结构形态以及电子束本身的相空间演化[13]。一般而言，电子束在运动过程中，带电粒子相互之间受库仑斥力影响，会产生横向结构上的发散以及纵向结构上的拉伸；此外带电粒子受外在电磁场所产生的洛伦兹力影响，会沿外在电场方向加速并围绕外在磁场发生偏转[14]。以上多种效应耦合在一起，构成了研究电子束空间电荷效应的物理机制背景。针对此复杂的多物理机制耦合问题，常用的研究方法有：1）基于电荷中和的电子束传输线性解析理论，以求解电子束包络方程为手段研究电子束空间电荷效应的演化问题[15]；……