2017 Fiscal Year Research-status Report
非一様磁場を印加したコンプレックス・プラズマにおける微粒子に関する研究
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16K05629
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| Research Institution | Utsunomiya University |
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Principal Investigator |
齋藤 和史 宇都宮大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70251080)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 微粒子プラズマ / 帯電量 / 磁場 / SPHシミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、微粒子プラズマに非一様で比較的強い磁場を永久磁石によって印加し微粒子の運動の機構を明らかにすることである。
今年度、表面磁場 0.14 Tのネオジム磁石２個を用いた実験と、磁石が単独の場合のSmoothed Particle Hydrodynamics (SPH) 法を用いたシミュレーションコードの改良を行った。実験においては閉じ込め用の電極が作る境界条件の影響が大きいことが明らかとなった。２つの磁石の相対距離に応じて境界条件を調整する機構が必要であることが明らかとなった。シミュレーションにおいては、境界における微粒子の回転速度の効果があまり現れなかった。微粒子プラズマの性質を正しく反映しているのか、それともコードに問題があるのか、明らかにできていない。いずれも論文としてまとめることのできるようなデータが取得できていない。
派生的ではあるが、微粒子の帯電量を実験的に簡単に見積もる方法を見いたすことができたため、論文としてまとめているところである。微粒子の粒径を数通りに変えてこの新しい方法で帯電量を評価し、いくつかの理論の数値計算結果と比較した。もう少しで投稿可能となる見込みである。微粒子の帯電量は非常に重要なパラメータであるにもかかわらず、これまで実験において実験条件をあまり変えずに簡単にも積もる方法はあまりなかったものである。
今年度前期は授業負担が予想された以上に重くあまり研究に時間を割くことができなかったため、後期にその遅れを取り戻すべく努力したものの思うような進展が見られなかった。その代わりにはならないかもしれないが、国際会議や国内の研究会等でこれまでの研究成果について従来にはないほど多くの招待講演を行わせていただけた。また、プラズマ核融合学会誌に7章から成る小特集の内の1章としてこれまでの研究成果をまとめたものを掲載していただけた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
今年度の、２個の永久磁石を用いた実験の進捗状況は以下の通りである。２つの永久磁石の相対位置を変えて微粒子群の衝突を行わせる場合、磁石だけではなく、境界条件も磁石の相対距離に応じて適切な形状に変形する必要があることが明らかとなった。軸対称な非一様磁場中における微粒子の分布は、磁場（および、磁場を印加したことによるプラズマの分布）のみでは決まらず、微粒子を閉じ込める境界電極による電場の影響が非常に大きいことがわかった。磁石を２個用い、その距離が十分に大きい初期状態場合でも、微粒子は閉じ込め電場の影響で磁石単独の場合とは異なった分布をしてしまう。初期状態で望んだ分布形状にできても、磁石間の相対距離を縮めた場合には、閉じ込め電場の形状影響の方が優位に聞いてしまうのである。
SPHシミュレーションについては、磁石が単独の場合を模擬した場合について昨年度のコードをいろいろと改変し、微粒子の回転速度を変えてみたが、相変わらず垂直方法での粒子の運動が実験以上に顕著であって、実験を正確に模擬できていない。加えて、回転速度を変えても明確な変化を見出すことができていない。
昨年度の実験を行っている際に着想を得た、微粒子の帯電量の新しい計測方法については、進展がみられた。実験に際して、実験条件をあまり変えずに、かつ、簡単な装置で容易に帯電量を計測できる方法として確立できたのではないかと考えている。そのため、その内容を論文としてまとめ、投稿する準備をしているところである。
なお、平成29年度前期は予想された以上に授業負担が重くなってしまい、後期にその遅れを取り戻すべく努力した。平成30年度の授業負担は改善されて平成28年度と同程度の負担となる予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに得られている成果を論文にまとめて投稿できるよう努力する。平成30年6月には国際会議も予定されており、すでにアブストラクトは受理されているので、これまでに得られている研究成果を内外に大いにアピールしたい。
シミュレーションコードを完成させ、SPH法が微粒子プラズマのシミュレーションとして有用であること、特に、この方法ではPoisson方程式を解く必要がないために非力なコンピュータでも比較的短時間で結果を出すことができるメリットがあることを示したい。実験においては微粒子はほぼ同一水平面内で運動しているように見えるが、SPHシミュレーションでは上下方向への運動が実験に比べて遥かに多く観測される。実験で見落とされている鉛直方向の力の存在が示唆されている可能性も否定できない。これが正しければ、シミュレーションを行った一つの成果であると考えられるので、シミュレーションに知られている以外に考え得る何らかの力を加えることで確かめたい。
複数の磁石を用いた実験においては、境界条件として、実験目的を達成できる閉じ込め電極を作製しないといけないが、磁石の相互距離を変えることに連動した構造の電極作製がなかなか容易ではなく、試行錯誤中である。最終年度内に完成させてそれなりの成果を出せるように努力する。磁場の大きさを変えての実験も計画しているが、境界条件を決める閉じ込め電極の作製を最優先にして実験を行う。
平成29年度前期は予想以上に授業負担が重く、その分を後期に取り戻すべくオーバーペースとなったが、最終年度は平成28年度並みの負担に戻していただけるようなので、研究に割くことのできる時間はそれなりに確保できると思われる。投稿準備中の論文を完成させて公開できるように努め、国際会議での発表を成功させ、さらに最終年度に相応しい纏めができるように努力したい。
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