宇宙プラズマの運動論効果を考慮した波動観測アンテナ特性の研究

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12440131
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 臼井 英之 京都大学, 宙空電波科学研究センター, 助教授 (10243081)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小嶋 浩嗣 京都大学, 宙空電波科学研究センター, 助教授 (10215254) ; 大村 善治 京都大学, 宙空電波科学研究センター, 教授 (50177002) ; 松本 絋 京都大学, 宙空電波科学研究センター, 教授 (00026139)
• Keywords: 計算機実験 / 宇宙プラズマ / アンテナ特性 / 電磁粒子シミュレーション / アンテナインピーダンス / プラズマシース / 光電子 / プラズマ波動

Research Abstract

本研究の目的は、磁気圏プラズマ中における波動観測用アンテナの特性をアンテナ周辺のシース効果、光電子、デバイ遮蔽などのプラズマ運動論効果を考慮した3次元電磁粒子計算機シミュレーションにより定量的に評価し、観測波動の正確な電界強度と位相の算出に役立てることである。
研究方法としては、平成12年度は、これまで一様プラズマ中の波動解析に用いられてきた3次元電磁粒子シミュレーションコードKEMPOに改良を加え、宇宙プラズマ空間に置かれたシャトルやステーションなどの非プラズマ物体と周辺プラズマとの相互作用についてもプラズマの運動論的な振る舞いを無視せず解くことができるにした。この改良KEMPOコードを用いて、アンテナ長とデバイ長との関係、およびアンテナ周辺プラズマシースの影響、についての計算機実験を行った。特にアンテナ近傍に形成されるプラズマシースダイナミクスとそれによるアシテナインピーダンスへの影響について調べ、コールドプラズマ近似のこれまでの理論とは異なり、シース幅が大きくなるに従いその影響が少なくなることを明らかにした。
平成13年度は、アンテナからの光電子放出がアンテナ環境およびアンテナ特性にどのような影響を与えるのかを調べるために3次元計算機実験を行った。まず、光電子放出により、アンテナ近傍で電子の高密度領域が局在することがわかり、それによる高周波領域でのアンテナ電位の変動が見られた。また、アンテナ特性としては、背景プラズマのプラズマ振動周波数におけるインピーダンスの大きな変化に加え、前述の局在した光電子群による高周波プラズマ振動の影響が加わることが明らかとなった。平成14年度は、送信アンテナの場合、受信アンテナの場合それぞれにおいてアンテナ近傍のプラズマ密度変化とアンテナインピーダンスの影響をさらに定量的に調べ、観測電界値の理解に役立てる。

Research Products

• [Publications] Usui, H., C.K.Birdsall, J.Verboncoeur: "Development of 1D Object-Oriented Particle-in-Cell Code (1d-XOOPIC)"IEICE Transactions (Electronics). E83-C,6. 989-992 (2000)
• [Publications] Usui, H., F.Yamashita, H.Matsumoto: "Computer Experiments on the Measurement of Reentry Plasma with Radio Waves"Advances in Space Research. 24. 1069-1072 (1999)
• [Publications] Usui, H., H.Matsumoto, R.Gendrin: "Numerical simulations of a three-wave coupling occurring in the ionospheric plasma"Proceedings of ISAP2000. Vol.2. 811-814 (2000)
• [Publications] Usui, H., H.Matsumoto, F.Yamashita: "Antenna analysis in magnetized plasma via particle-In-Cell simulations"Proceedings of ISAP2000. Vol.3. 1327-1330 (2000)
• [Publications] Usui, H., H.Matsumoto, R.Gendrin, T.Nishikawa: "Computer experiments on a three-wave in association with microwave power transmission in space plasma"IEICE Transactions, (Innovation in Antennas and Propagation for Expanding Radio Systems). Vol E84-B, No.9. 2566-2573 (2001)
• [Publications] Usui, H., H.Matsumoto, R.Gendrin: "Numerical simulations of a three-wave coupling occurring in the ionospheric plasma"Nonlinear Processes in Geophysics. Vol.9 No.1. 1-10 (2002)