2019 Fiscal Year Annual Research Report
Holistic study on the genesis and structure of magnetospheric plasma: understanding of auroral phenomena
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17H01177
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
吉田 善章 核融合科学研究所, その他部局等, 所長 (80182765)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡邉 智彦 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (30260053)
沼田 龍介 兵庫県立大学, シミュレーション学研究科, 准教授 (30615787)
西浦 正樹 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (60360616)
齋藤 晴彦 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (60415164)
釼持 尚輝 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 助教 (80781319)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | プラズマ物理 / 非線形科学 / 磁気圏プラズマ / 自己組織化 / 渦 / オーロラ / ホイッスラー / 宇宙・天体プラズマ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
磁場閉じ込めプラズマの最も基本的な構造である「磁気圏型プラズマ」の形成メカニズム，特に磁力線方向の構造に関する実験および理論研究を総合的に進めている．RT-1実験装置は宇宙プラズマに匹敵する（相似則をみたす）磁気圏型プラズマを生成できる．これを用いた実験を中核としてその内部構造を明らかにするための計測・データ解析技術を開発しつつ，プラズマ中の運動・揺らぎの大規模な動態をホリスティックに可視化する研究を行った．
RT-1によるこれまでの研究で，磁気圏型プラズマの自己組織化は磁化した粒子に対するトポロジー束縛（磁気モーメントの断熱不変性に起因する）によって説明できることが示されている．電子系とイオン系は電場を仲介した渦運動（E×Bドリフトで近似できる）によって平衡する．しかし，厳密にはE×Bドリフトは非ホロノミーであり，磁場に平行な運動と結合する．その結果，極近傍に電場が生成することが理論的に予測されている．2019年度の研究では，プラズマへのガス入射を行い，それによって引き起こされるプラズマの構造変化，それを駆動する揺らぎの計測を行った．その結果，擾乱で密度分布が変更されている間，低周波領域に極めて高いコヒーレンスをもつ電磁的な揺らぎが励起されることが発見された．この現象と，地球磁気圏で観測されている低周波磁場揺動「磁気パルセーション」との共通性について研究を進めている．また高周波領域にはホイッスラー波が観測され，それと高エネルギー電子の挙動との関係を調べている．
理論解析では，磁化したプラズマ粒子の非ホロノミー束縛の幾何学的効果の解析，ジャイロ運動論シミュレーションによるプラズマの揺動励起メカニズムの解明で成果を上げた．また，高エネルギー電子からのシンクロトロン放射についての理論から，パルサーの磁気圏から放射される電磁波の発生メカニズムに関するモデルを提案した．
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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
（１）イメージング計測からプラズマ内部構造を推定する「逆問題」を解析するために開発した機械学習を用いた安定なスキームは，他分野に波及するデータ解析技術といえる．（２）トポロジー束縛とマクロ階層の関係を数学的に定式化する中から，その一般的な構造としてLie-Poisson代数の変形理論を定式化し，カイラリティーをもつ場の理論をシステマティックに導く理論を得た．この理論の応用を提案した．さらに理論研究を国際共同研究で進める予定であったが，コロナ禍のために延期することとした．
（３）ジャイロ運動論的シミュレーションコードGKVを拡張し，双極子磁場形状並びに円環電流がつくる磁場形状のもとで，RT-1装置を模擬した磁場配位においてドリフト波不安定性の解析を実施する準備を整えた．
（４）磁気圏型プラズマで磁力線方向に起こる高エネルギー粒子のバウンス運動に関する理論を相対論的に拡張し，高エネルギー天体，とくにパルサーからの電磁波放射メカニズムを提案した．
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）磁気圏型プラズマ実験装置RT-1を用いた実験研究によって，天体磁気圏で観測されているプラズマ現象の物理的機構を明らかにする．とくに低周波揺動と高周波揺動にわけて，前者は密度勾配の自己組織化を駆動するものとして，後者は高エネルギー電子が引き起こす粒子・波相互作用プロセスとして，これらの時空間構造を明らかにすることに注力する．
（２）同時に，物理学として新しい知見として，荷電粒子の磁化によって生じるトポロジー束縛が，構造の自己組織化，拡散現象，エントロピー生産にどのように影響するのかを明らかにする．
（３）ジャイロ運動論的シミュレーションコードGKVを拡張し，双極子磁場形状並びに円環電流がつくる磁場形状のもとで，RT-1装置を模擬した磁場配位においてドリフト波不安定性の解析を実施する．
（４）電磁ノイズ耐性が高い電磁場計測法の開発，深層学習を用いたデータ解析法など，実験技術の開発を進める．
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[Presentation] 協同トムソン散乱計測により得られた散乱スペクトルの速度空間再構成2020
Author(s)
西浦正樹, 釼持尚輝, 奴賀秀男, 關良輔, 久保伸, 田中謙治, 足立迅, 下妻隆, 斉藤輝雄D, Moseev Dmitry, Salewski Mirko, LHD実験グループ
Organizer
日本物理学会第75回年次大会
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[Presentation] Collective Thomson scattering with 77, 154, and 300 GHz sources in LHD2019
Author(s)
M. Nishiura, K. Tanaka, S. Kubo, T. Saito, N. Kenmochi, H. Nuga, R. Seki, T. Shimozuma, Y. Yoshimura, H. Igami, H. Takahashi, T. I. Tsujimura, R. Yanai, Y. Tatematsu, LHD experiment group
Organizer
19th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics
Int'l Joint Research / Invited
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