偶极场是一种自然的等离子体磁约束位形，普遍存在于宇宙行星空间，是空间科学和基础等离子体物理的重要研究对象（图1）。北航物理学院等离子体物理学科李博课题组经过三年多的努力，独立自主开发了研究偶极磁场约束下的等离子体湍流模拟代码，在实验室磁层湍流输运研究方向取得系列进展。实验室磁层是在实验室里利用磁悬浮的超导电流线圈产生和地球磁场相似的磁场位形。实验室磁层可以用来约束高温带电粒子，从而研究地球辐射带以及偶极场约束物理。目前国际上的主要实验室磁层装置包括美国麻省理工学院的LDX装置和日本东京大学的RT-1装置（图2）。

课题组通过推导偶极场几何位形下的磁通管平均的理想磁流体以及双流体方程，从而实现对偶极场实验室等离子体的全装置湍流模拟（图3）。研究发现等离子体压强驱动的不稳定性的非线性发展导致自发、随机的大幅度电场涨落，而相应引起的大尺度对流结构导致带电粒子向等离子体中心内部的湍流输运。这一结果能够帮助我们理解地球辐射带形成以及辐射带中的高能带电粒子独特的逆梯度输运过程。另外模拟结果还显示了偶极场等离子体独特的中心峰压强和密度径向剖面，预测了偶极场等离子体能量约束时间定标律，因此研究结果还可以应用于偶极场位形下高温等离子体的磁约束聚变研究。美国哥伦比亚大学教授Michael Mauel评论该工作“You solved an important nonlinear problem and successfully demonstrated one of the first “whole device” simulations of a magnetically confined plasma.”

图1 地球偶极磁场和辐射带

图2目前国际上两个主要的实验室磁层装置LDX（麻省理工学院）和RT-1（东京大学）的示意图及运行参数

图3电势、熵函数以及粒子数的结构在线性阶段(上排)，非线性早期(中排)，非线性后期(下排)

相关结果先后发表在国际等离子体物理领域主要期刊Physics of Plasmas和Physical Review E（Rapid Communications）。文章作者包括北航物理学院硕士生周振宇以及本科生李卓懿，李博教授是文章的通讯作者。合作单位包括北京大学、美国达特茅斯学院以及美国哥伦比亚大学。该研究工作得到国家自然科学基金面上项目支持。

相关论文:

Bo Li, Lipeng Wang, Weike Ou, Zhenyu Zhou, Zhuoyi Li, B. N. Rogers and M. E. Mauel, Self-organized confinement in whole-device modeling of laboratory magnetospheres,Physics of Plasmas 28, 102301 (2021)

Weike Ou, Lipeng Wang,Bo Li* and B. N. Rogers, Turbulent pinch in whole-plasma simulations of a dipole-confined plasma,Physical Review E 101, 021201(R) (2020)