計算機実験による密度不均一プラズマ中における非線形波動励起に関する研究

Research Project

Project/Area Number	09780428
Research Category	Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
Allocation Type	Single-year Grants
Research Field	プラズマ理工学
Research Institution	Chiba University
Principal Investigator	岡田裕子千葉大学, 工学部, 助手 (70184934)
Project Period (FY)	1997 – 1998
Project Status	Completed (Fiscal Year 1998)
Budget Amount *help	¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000) Fiscal Year 1998: ¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000) Fiscal Year 1997: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,300,000)
Keywords	Upper Hybrid波励起 / 粒子モデルプラズマ計算機実験 / 分散メモリ型並列計算機実験
Research Abstract	(1) 電離層に大電力電磁波を照射する電離層加熱実験は有用な非線形プラズマ物理過程の実験室ともみなされているが、そこで観測される非線形励起電磁波SEE(Stimulated Electromagnetic Emission)の励起機構の鍵と考えられる一過程として、波長に比べて小さい特性長の密度不均一を有するプラズマ中をポンプ波が伝搬することによりUpper Hybrid(UH)波が励起されるという過程(Direct Conversion:DC)が提案されている。本研究ではこの理論的予測を検討するため、大電力電磁波、地球磁場、および密度不均一などの条件を設定した計算機実験を行った。その結果定性的には予測通り密度不均一が存在することによりポンプ波の電場成分が変調され、適当なポンプ周波数の場合にはこれが静電的な振動、すなわちUH波として観測されることを確認した。また理論では推定が困難な電磁波からUH波へのエネルギー変換率を測定し、励起UH波の外部磁場に対する伝搬方向、密度不均一のスケール、およびその程度などに対するエネルギー変換率の依存性を明らかにした。これらの結果から、励起UH波を第二のポンプ波とする非線形波動相互作用を生じさせる可能性が示された。 (2) 従来、大規模計算機実験の実現は計算機メモリの大容量化、CPUの高速化、およびベクトル化に支えられてきたが、近年それに代わって並列計算機システムによる性能向上が図られる状況になりつつある。そこで本研究では飛躍的な大規模化が期待できる分散メモリ型並列計算機システムを用いて、並列化2次元電磁粒子モデルプラズマ計算機実験コードを開発した。各CPUはシミュレーション領域の一部分を分担し、各領域内の電磁場および粒子の運動を解き進める領域分割方式によりこれを実現した。処理時間について複数CPUを用いた場合と1CPUの場合とを比較すると極めて線形性に優れた短縮効果が得られ、CPU間通信のためのオーバーヘッドは計算時間の数%であり、本方式を用いることでさらなる大規模計算機実験が可能となった。また、並列化コードを用いて計算機実験を行うために不均一密度分布などの初期状態設定の方法を検討し、複数CPUを用いる際にも各CPU領域においてこれらを適切に実現し、全体として1CPUの場合と完全に一致する計算機実験を行うことが可能であることを確認した。