The Weibel instability, a subject of relevance to many fields of physics ranging from inertial confinement fusion to some astrophysical scenarios, is usually probed with side-on proton radiography. In order to diagnose the strength and wavelength of the spontaneous fields, two concerns that must be settled are how to distinguish the coexisting electric and magnetic fields, and how to overcome the counteracting of deflections in radiographing the filamentary structured fields. In this paper, proton radiography of the Weibel instability in two counterstreaming plasma flows is studied by simulation. It suggests that the electric field dominates the deflection of probe protons, whereas the contribution from the magnetic field is negligible. To resolve the deflection-counteracting problem, the spatial spectrum of the electric field energy is found to be related to the deflection velocity of the probe beam by theoretical analyses. The strength and wavelength of the electric field are then obtainable from the proton flux on the detection plane, whereas the strength and wavelength of the magnetic field can be deduced through the equilibrium between the electric field and the magnetic field pressure gradient after the linear growth stage of the instability. Both numerical and experimental verifications suggest that our method performs well in extracting the strength and wavelength of the spontaneous electric and magnetic fields of the Weibel instability from proton radiography.
ワイベル不安定性は、慣性核融合から一部の天体物理学的シナリオに至るまで、多くの物理学分野に関連する現象であり、通常は陽子ラジオグラフィーを用いて探査される。自発的な電場と磁場の強度と波長を診断するためには、共存する電場と磁場をどのように区別するか、またフィラメント状構造のラジオグラフィー撮影において偏向の相殺をどのように克服するかという2つの課題を解決する必要がある。本論文では、対向する2つのプラズマ流におけるワイベル不安定性の陽子ラジオグラフィーをシミュレーションにより研究した。その結果、陽子の偏向には電場が支配的であり、磁場の寄与は無視できることが示された。偏向の相殺問題を解決するため、理論解析により、電場エネルギーの空間スペクトルが探査陽子の偏向速度と関連付けられることが見出された。電場の強度と波長は、検出面上の陽子フラックスから取得可能であり、磁場の強度と波長は、線形成長段階後の電場と磁場の圧力勾配間の平衡関係から導出できる。数値シミュレーションおよび実験の両方により、本手法がワイベル不安定性の自発的な電場と磁場の強度および波長を陽子ラジオグラフィーから抽出する際に優れた性能を発揮することが検証された。