We have carried out a 3D ideal-MHD (magnetohydrodynamic) simulation to study the evolution of a laser-generated plasma plume in a moderate external magnetic field (0.13 T) oriented perpendicular to the flow direction of the plasma plume. The simulation shows that the plasma plume pushes the external magnetic field lines outward in the direction of the expansion. This leads to the compression and bending of the magnetic field lines. The force resulting from the change in shape and the density of the magnetic field lines opposes the expansion of the plume. An elliptic layer of shocked plasma is formed at the plasma/external field interface leaving a cavity in the plume core due to the outward expansion and the inertia of the plume. As the plasma pressure drops due to expansion, the imbalance between the magnetic energy and the internal energy results in the collapse of the cavity. These observations have striking similarities with the observations of the experiments (Behera et al 2017 Phys. Plasmas24 033511) performed recently to study the plasma plume expansion in the presence of an external transverse magnetic field. This similarity indicates that the physical mechanisms dominantly governing the plasma plume expansion in the moderate magnetic field are aptly described in the ideal MHD regime. The studies thus show that the laser-generated plasma plume can be utilized to carry out interesting experiments on MHD phenomena in a simple laboratory setup.
我々は、外部磁場（0.13 T）中でレーザー生成プラズマプルームの時間発展を調べるため、3次元理想MHD（磁気流体力学）シミュレーションを実施した。外部磁場はプラズマプルームの流れ方向に対して垂直に印加されている。シミュレーションの結果、プラズマプルームが外部磁力線を膨張方向に押し出し、それに伴って磁力線が圧縮・弯曲することが示された。磁力線の形状変化と密度変化に起因する力は、プラズマプルームの膨張に抵抗する方向に働く。プラズマと外部磁場の境界領域には衝撃波を伴う楕円形状の層が形成され、プラズマプルーム内部には膨張と慣性の効果により空洞（キャビティ）が生じる。プラズマ圧力が膨張に伴って低下すると、磁気エネルギーと内部エネルギーの不均衡により、この空洞は崩壊する。これらの観測結果は、外部横磁場中でのプラズマプルーム膨張を実験的に調べた最近の研究（Behera et al 2017 Phys. Plasmas 24 033511）で得られた観測結果と顕著な類似性を示している。この類似性は、中程度の磁場強度下でのプラズマプルーム膨張を支配する物理メカニズムが、理想MHDモデルによって適切に記述されることを示唆している。以上の結果から、レーザー生成プラズマは、簡便な実験室環境においてMHD現象に関する興味深い実験を行うための有効な手段となり得ることが示された。