Charge collection by perfectly absorbing bodies (probes, dust particles, satellites) immersed in magnetized plasmas is usually addressed in a simplified manner by approximating particle transport as 2D and employing the cross-section of the body as the collecting area. One of the most rigorous analytical solutions, for fully ionized plasmas in the regime of equal ion and electron temperatures (directly relevant for fusion plasmas), has been developed back in 1970 by J. R. Sanmartin. His kinetic theory solution revealed that when the body is close to the plasma potential, the potential distribution along the B-field becomes non-monotonic and a so-called potential ‘overshoot’ emerges. Fluid models, both for weakly ionized and for fully ionized plasmas, were later proposed whose solutions for the electron current at repulsive potential were constructed by relating particle fluxes to the nonmonotonic potential structure of Sanmartin’s model, i.e. using his potential solution as an a-priori postulation. However, up to now, no numerical tests have succeeded in simulating this particle collection regime due to the prohibitively high computational cost associated with the length scale separation of the problem. Namely, for electrons, the collection perpendicular to B-field is strongly suppressed, and flux conservation results in the formation of an extremely extended collection area along it. Simultaneously, it is necessary to resolve length scales of the order of the Debye length. Capitalizing on the state-of-the-art tool, Curvilinear-Particle-In-Cell (CPIC) and frontier computational facilities at Los Alamos National Laboratory, in this work we have simulated this previously inaccessible collection regime. For the first time, the emergence of the non-monotonic potential profile has been confirmed. Moreover, the electron current was shown to be reasonably close to the model predictions and drastically suppressed compared to the typically employed unmagnetized Orbital Motion Limited model. The results of this work have direct implications for applications to probes in magnetized plasmas as well as modelling of dust and droplet survival in fusion environments.

Laddningsuppsamling av perfekt absorberande kroppar (sonder, dammpartiklar, satelliter) nedsänkta i magnetiserade plasma åtgärdas vanligtvis på ett förenklat sätt genom att approximera partikeltransport i 2D och använda kroppens tvärsnitt som uppsamlingsområde. En av de mest rigorösa analytiska lösningarna, för helt joniserade plasma med samma jon- och elektrontemperaturer (direkt relevant för fusionsplasma), har utvecklats redan 1970 av J.R. Sanmartin. Hans kinetiska teorilösning avslöjade att när kroppen är nära plasmapotentialen blir potentialfördelningen längs B-fältet icke-monoton och en så kallad potentiell "översvängning"uppstår. Vätskemodeller, både för svagt joniserade och för helt joniserade plasma, föreslogs senare vars lösningar för elektronströmmen vid repulsiv potential konstruerades genom att relatera partikelflöden till den icke-monotona potentialstrukturen i Sanmartins modell, d.v.s. använda hans potentiella lösning som en a-priori postulation. Men hittills har inga numeriska tester lyckats simulera denna partikeluppsamlingsregim på grund av den oöverkomligt höga beräkningskostnaden förknippad med längdskalseparationen av problemet. För elektroner är nämligen samlingen vinkelrätt mot B-fältet kraftigt undertryckt, och flödeskonservering resulterar i bildandet av ett extremt utökat samlingsområde längs det. Samtidigt är det nödvändigt att lösa längdskalor i storleksordningen Debye-längden. Med utnyttjande av det toppmoderna verktyget, Curvilinear-Particle-In-Cell (CPIC) och frontier beräkningsanläggningar vid Los Alamos National Laboratory, har vi i detta arbete simulerat denna tidigare otillgängliga insamlingsregim. För första gången har uppkomsten av den icke-monotona potentiella profilen bekräftats. Dessutom visade sig elektronströmmen vara ganska nära modellförutsägelserna och drastiskt undertryckt jämfört med den typiskt använda omagnetiserade Orbital Motion Limited-modellen. Resultaten av detta arbete har direkta implikationer för tillämpningar av sonder i magnetiserade plasma samt modellering av damm och droppars överlevnad i fusionsmiljöer.