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数学物理

arXiv:2108.03337 (math-ph)
[提交于 2021年8月7日 ]

标题: 正常形式和轴近似展开式对于贝特拉米磁场所述

标题: Normal Forms and Near-Axis Expansions for Beltrami Magnetic Fields

Authors:Nathan Duignan, James D. Meiss
摘要: 对环形磁场配置在磁轴附近的Birkhoff-Gustavson正规形式进行了一种形式级数变换。使用Bishop的最小旋转坐标,在轴附近获得了一个局部正交框架,即使曲率有零点,该框架中的度量也是对角的。我们以统一的方式处理了真空场和无体力场(Beltrami)的情况,注意到矢量势本质上是哈密顿动力学的Poincaré-Liouville一形式,所产生的磁场对应于非自治单自由度系统的典型二形式。获得了规范坐标,并使用Floquet理论转换到一个最低阶哈密顿量为自治的框架中。产生的磁轴可以是椭圆的或双曲线的,并处理了共振椭圆情况。显示了场的展开式在所有阶次上都是定义良好的,并显式计算到四阶。给出了一个在1:3共振附近具有恒定扭率的轴的例子。
摘要: A formal series transformation to Birkhoff-Gustavson normal form is obtained for toroidal magnetic field configurations in the neighborhood of a magnetic axis. Bishop's rotation-minimizing coordinates are used to obtain a local orthogonal frame near the axis in which the metric is diagonal, even if the curvature has zeros. We treat the cases of vacuum and force-free (Beltrami) fields in a unified way, noting that the vector potential is essentially the Poincar\'e-Liouville one-form of Hamiltonian dynamics, and the resulting magnetic field corresponds to the canonical two-form of a nonautonomous one-degree-of-freedom system. Canonical coordinates are obtained and Floquet theory is used to transform to a frame in which the lowest-order Hamiltonian is autonomous. The resulting magnetic axis can be elliptic or hyperbolic, and resonant elliptic cases are treated. The resulting expansion for the field is shown to be well-defined to all orders, and is explicitly computed to degree four. An example is given for an axis with constant torsion near a 1:3 resonance.
评论: 31页,5图
主题: 数学物理 (math-ph) ; 等离子体物理 (physics.plasm-ph)
引用方式: arXiv:2108.03337 [math-ph]
  (或者 arXiv:2108.03337v1 [math-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2108.03337
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: Physics of Plasmas 28: 122501 (2021)
相关 DOI: https://doi.org/10.1063/5.0066000
链接到相关资源的 DOI

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来自: Nathan Duignan [查看电子邮件]
[v1] 星期六, 2021 年 8 月 7 日 00:07:28 UTC (2,125 KB)
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