不安定系におけるカオス現象

1997 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 08458110
• Research Institution: KYUSHU UNIVERSITY
• Principal Investigator: 河合 良信 九州大学, 大学院・総合理工学研究科, 教授 (10038565)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 羽鳥 尹承 核融合科学研究所, 理論・シミュレーションセンター, 教授 (80023729) ; 上田 洋子 九州大学, 大学院・総合理工学研究科, 助手 (70274529)
• Keywords: 不安定系 / ドリフト速度 / 周期倍加 / 間欠カオス / タイプ-1 / 相関次元 / イオン音波不安定性 / 電子ブーム・プラズマ不安定性

Research Abstract

不安定系のカオス現象を研究するために、プラズマ中に電子ビームを入射する、又は電流を流すことによりプラズマ中に不安定性を励起した。次に、その成長率を上げ、系をカオス状態にして、不安定系のカオス現象を調べた。実験はダブルプラズマ(DP装置)装置を用いて行った。ガスはアルゴンで、圧力は(1-3)x1^<-4>Torrの範囲で実験した。プラズマパラメータは、密度n_e=(1-5)x10^8cm^<-3>、電子温度Te=1eVである。得られた主な成果は以下の通りである。
[1]電子ビーム・プラズマ不安定系
(1)エネルギーが10-100eVの電子ビームを入射し、電子ビームプラズマ不安定性により200MHz付近の波動を励起した。
(2)電子ビームの密度を増加させると周期倍加現象が起き、2周期、3周期、4周期の分岐が観測された。3周期は周期倍加のウインドウである。
(3)時系列データから埋め込み法により相関次元を計算したところ、3周期は2.5次元、4周期は3.3次元の非整数でフラクタル性を示した。
(4)最大リアプノフ数は正であり、系はカオスになっていることが分かった。
(5)(3)(4)より、本実験で観測された電子ビーム・プラズマ系が非線形現象により少数自由度のカオス状態にあると結論される。
[2]イオン音波不安定系
(1)ターゲットプラズマ中に二枚のメッシュグリッドを挿入し、これにDC電圧を印加することによりプラズマ中に電流を流した。電流がある値以上でイオン音波不安定性が励起され、イオンプラズマ周波数近傍までの幅広い周波数スペクトルが観測された。一方、ドリフト速度をプローブにより測定したところ、イオン音波速度の40倍であった。
(2)(1)の結果は分散関係の数値計算により説明できることが分かった。
(3)時系列データを測定し,相関次元を求めたところ、2以上の非整数で、またリアプノフ数は正であった。このことから、観測された現象は間欠性カオス状態にあると結論される。
(4)不安定性の揺動スペクトルが周波数をfとすると、f^<-1>の形をしていることが分かった。このことから、観測された間欠カオスはタイプ-1型であると考えられる。

Research Products

• [Publications] S.Yoshimura: "Excitation Characteristics of Ion waves in a Negative Ion Plasma" Jopurnal of the Physical Society of Japan. 66. 3842-3846 (1997)
• [Publications] K.Taniguchi: "Observation of Type-1 Intermittency Caused by Current-Driven Ion Acoustic Instability" Physics of Plasmas. 5(掲載予定). (1998)