The impact of a flow-aligned and spatially homogeneous magnetic field on the filamentation instability (FI) is examined in a system of two equal counterstreaming non-relativistic cool electron beams. Particle-in-cell simulations that represent the plane perpendicular to the flow velocity vector confirm the reduction of the linear growth rate by the initial magnetic field. The FI is, however, not inhibited by a magnetic field with the critical strength, for which the solution of the linear dispersion relation predicts a full suppression. The saturation of the electromagnetic fields in the plasma involves a balance between the magnetic pressure gradient and the electric field resulting from the charge displacement. The simulations demonstrate that the magnetic energy gain and the field structure upon saturation do not depend on the initial magnetic field strength. This can be explained by the qualitative similarity of the spectrum of unstable wavenumbers, at least for subcritical strengths of the background magnetic field, and by the vanishing of the pressure gradient of a spatially homogeneous magnetic field. Magnetic trapping is apparently not the saturation mechanism for the considered plasma parameters. The spatial power spectrum of the saturated magnetic fields in the simulation plane can be approximated by a power-law function and the magnetic and electric spectra are similar at high wavenumbers. The final electron velocity distributions are comparable for all magnetic field strengths.
流れに平行で空間的に一様な磁場がフィラメント化不安定性に及ぼす影響を、2つの等しい逆流する非相対論的冷電子ビームからなる系において調べた。流れの速度ベクトルに垂直な平面を表現する粒子セルシミュレーションは、初期磁場による線形成長率の低減を確認した。しかしながら、線形分散関係の解が完全な抑制を予測する臨界強度の磁場によっても、フィラメント化不安定性は抑制されない。プラズマ中の電磁場の飽和は、磁気圧勾配と電荷変位に起因する電場との間のバランスを伴う。シミュレーションは、飽和時の磁気エネルギー利得と磁場構造が初期磁場強度に依存しないことを示している。これは、少なくとも背景磁場の亜臨界強度において、不安定波数のスペクトルが定性的に類似していることと、空間的に一様な磁場の圧力勾配が消滅することによって説明できる。磁気トラッピングは、考慮したプラズマパラメータに対する飽和機構ではないようである。シミュレーション平面内の飽和磁場の空間パワースペクトルは、べき乗則関数で近似でき、高波数領域では磁気スペクトルと電場スペクトルは類似している。最終的な電子速度分布は、すべての磁場強度に対して同等である。