2017 Fiscal Year Annual Research Report
磁束管合体を用いた粒子運動論的プラズマ構造形成の解明
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16J07924
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
西田 賢人 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | Particle-In-Cell / 自己組織化 / 高ベータ / 磁束管合体 / 磁気リコネクション / 磁場反転配位 / 適合粒子細分化法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究はプラズマの自律性が一層強くなる高ベータ(ベータはプラズマ熱圧力と磁気圧力の比)配位において,最も自然な状態は何かを探求することを目的としている.代表的な高ベータ配位として磁場反転配位を考えると,その自己組織化現象には二流体・運動論的記述が必須であり,本研究では領域によって自己組織化を支配する物理が異なるという仮説のもと検証を行っている．本年度は検証のために使用する円筒座標Particle-In-Cellコードの開発と磁束管合体シミュレーションの実装及び評価を行った．
プラズマの第一原理計算手法であるParticle-In-Cell法の２次元円筒座標系コードの開発では，初年度に電荷保存法と２次形状関数を用いた高精度コードを活用し，円筒座標系への最適化を行っている．円筒座標系では粒子の体積要素が径方向位置に依存するために，超粒子数が径方向位置で不均一となり余計な計算負荷が生じる問題があった．そこで本年度では重み付き粒子を用いて計算領域ごとに異なる重みの超粒子を用い，時間発展と共に重みを更新していくことで計算領域内で超粒子数の分布がおよそ一定となるような手法を開発した．新規開発した手法では２次形状関数を用いて電荷・電流・エネルギー等の物理量を乱すこと無く粒子の重みを更新可能となった．物理現象を乱すこと無く計算負荷の不均一性を解消することに成功している．
作成したコードを用いて磁束管合体の数値計算を行っている．磁束管合体は，磁気リコネクションを介して磁場エネルギーを運動エネルギーへと変換すると同時に，磁気ヘリシティが流れのヘリシティへと変換されることを指摘した．また，磁場と流れを統一的に取り扱った正準ヘリシティの保存についても検証し，磁気リコネクションを介しても保存されることを明らかにしている．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
第一原理計算として運動論効果を含んだParticle-In-Cellコードの開発は，円筒座標系やエネルギーの保存性の高い2次精度形状関数を採用する必要などから，当初予定していたよりも時間を要している．一方で，2次精度円筒座標系の計算に最適化した的合粒子細分化法を新規開発して採用したことは，今後の研究を加速する要因となることが予想される．初期条件の実装及び評価手法の確立も今年度に行うことができているので，来年度では数値計算と解析を主に進め，物理現象の解明を中心に進める土台形成ができていると言える．
これまでに行っている数値計算結果では既存の研究結果と一致する研究結果が得られており，開発したコードの高精度・適合粒子細分化法が正確に物理現象を解像できていることを示唆している．磁場反転配位では，運動論効果による自発的なイオン・電子電流分布の形成が確認されており，運動論効果が正確に記述できている．磁束管合体では磁気リコネクションによって径方向・トロイダル方向のフローが観測されており，また，合体する磁束管の磁気ヘリシティの極性を入れ替えると磁気リコネクションの様子が変化する様子が確認されている．計算コードの開発及び正当性評価の遅れから物理現象解明への着手に予想された以上の時間を要しているが，概ね順調に進展していると考えられる．
今後は，Particle-In-Cell計算と解析を進めると共に，比較検討用の流体(MHD/Hall-MHD)コードの開発整備も行っていく予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は開発した適合粒子細分化法付きParticle-In-Cellコードを応用し，大域的な磁束管合体のヘリシティ構造の遷移を解明し，高ベータプラズマの自己組織化現象の全容解明を行う．低ベータの磁気流体理論では，磁気エネルギーが支配的であるために磁気エネルギーと磁気ヘリシティの遷移が重要であったが，高ベータでは十分でなく，プラズマ粒子の流れまで統一的に含めた「正準ヘリシティ」の緩和が重要と考えられる．そのため，磁束管合体を介して正準ヘリシティがどのように遷移するか，またその内訳（流れのヘリシティ，クロスヘリシティ，磁気ヘリシティ）がどのように交換されるかを観察することで，高ベータ状態での自己組織化現象を明らかにする．運動論的な効果をより明確に議論するために比較対象としてMHD/Hall-MHDコードの開発も進める．流体コードは磁気リコネクションを含む微細構造から磁束管全域の大域的構造まで包括的に表現するために適合格子細分化法を採用する．２種類の流体コードでも系全体のヘリシティとエネルギーの磁束管合体を介した変換過程に着目する．磁気リコネクションは大規模構造を微細構造へと変換する順カスケードである一方，プラズマの本質的なエネルギーは逆カスケードすると考えられるため，一時的に微細構造が磁気リコネクションによって生成された後，逆カスケードとして大域的構造形成が行われると考えられる．非線形計算によってエネルギー・ヘリシティのカスケードを明らかにし，最終的にプラズマがどのような構造へと収束するかを明らかにする．また，初期状態としてのベータ値を変化させて数値計算を行うことで，低ベータから高ベータまでを統一的に取り扱い，ベータ値によらない一般的な自己組織化理論の構築を行う．3つの理論を比較検討することで，磁気流体・二流体・運動論それぞれにおける構造形成機構を解明する．
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Research Products
(3 results)
