Collisional particle-in-cell investigations of electromagnetic pulses in hypervelocity impact plasmas

超高速 物理 等离子体 细胞内颗粒 库仑 量子电动力学 计算物理学 原子物理学 经典力学 电子 量子力学 热力学
作者
Raymond Lau,Nicolas Lee,Sigrid Elschot
出处
期刊:International Journal of Impact Engineering [Elsevier BV]
卷期号:180: 104692-104692
标识
DOI:10.1016/j.ijimpeng.2023.104692
摘要

A collisional, 2D discontinuous Galerkin particle-in-cell (DG-PIC) code is developed to analyze electromagnetic pulses (EMPs) generated from hypervelocity impact plasmas. The discontinuous Galerkin scheme is used to solve the 2D transverse electric Maxwell’s equations while the particle-in-cell scheme is used to model charged species dynamics. Two models for Coulomb collisions are tested: a small-angle “particle-moment” model and a general Langevin equation model. Both collisionless and collisional simulations are able to reliably reproduce EMP generation due to charge separation within the bulk and the resulting electrostatic oscillations that occur. Both collision models cause a decrease in the frequency of the EMPs that are formed; however, this decrease is not significant enough to explain the discrepancy between experiments and simulations in previous literature. Despite this, Coulomb collisions can be significant in the physics of the plasma behind EMP generation for hypervelocity impacts, particularly in increased heating within the plasma. Overall, although Coulomb collisions are highly influential in the temperature of the plasma, they are not important in the EMP generated and its threat to spacecraft.
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