2018 Fiscal Year Research-status Report
磁気圏型プラズマにおける自己組織化の物理機構の解明：熱・粒子輸送に着目して
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18K13525
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
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) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 磁気圏型プラズマ / 自己組織化 / 熱・粒子輸送 / 核融合 / トムソン散乱計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，天体磁気圏が高ベータプラズマを自発的に閉じ込めるメカニズムを解明するため，RT-1装置を用い自己組織化状態の高ベータプラズマの熱・粒子特性を明らかにすることである．
局所電子温度・密度分布を非接触・不干渉かつ幅広い温度密度領域で計測できるレーザートムソン散乱計測は，本研究目的である，高ベータプラズマの局所計測を基にした輸送の議論に最適である．申請者らが開発を進めているトムソン散乱装置に対し，非等方かつ複雑な速度分布関数を持つ電子の計測が可能なシステムへと改良するため，以下を実施する．
平成３０年度は(1)トムソン散乱装置の開発を進めるとともに，(2)粒子・熱輸送特性の調査を行った．
(1)に関しては，トムソン散乱計測装置の基盤設備の開発を完了し，RT-1プラズマの電子温度・密度の計測に成功した．特に，RT-1に既存の計測器では不可能であったプラズマ中心部の計測により，高ベータプラズマ領域の重要な情報を得ることができた．
(2)に関しては，ダイポール磁場中の高性能プラズマの粒子輸送を明らかにするため，プラズマ中にガスパフを用いて中性粒子を入射し，密度に摂動を与えて粒子輸送を調査した．３視線のマイクロ波干渉計を用いた電子密度の線積分値をもとに，２次元電子密度分布への再構成をおこない，ガス入射後に密度分布がピークしていくアップヒル拡散現象を明らかにした．密度がピーキングしてく時間帯には低周波（0.6~1.0 kHz)の磁場・密度揺動が観測されており，密度ピークの周辺に揺動が局在していることが確認された．揺動強度や周波数がプラズマパラメータと相関があることも観測されており，今後の調査の指針となる結果を得ることができた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
平成３０年度の当初目標は，(1)RT-1においてトムソン散乱計測装置の基盤設備の開発を完了させること，(2)粒子・熱輸送の調査手法を確立するとともに，初期的な実験を開始すること，であった．
(1)に関しては当初の計画をほぼ達成できた．レーザートムソン散乱計測装置の基盤部分の開発を完了し，RT-1プラズマの電子温度・密度の計測に成功した．RT-1プラズマの典型的な電子密度~10^16 m^-3はトムソン散乱の計測に対しては低密度領域にあるため，十分な信号量を得るために高出力レーザーを用い長い散乱長を確保し，明るい受光光学系を採用することでこの計測を実現した．特に，RT-1に既存の計測器では不可能であったプラズマ中心部の計測により，高ベータプラズマ領域の熱・粒子輸送の解明のために重要な情報を得ることができた．
(2)については，目標以上の成果を上げている．磁気圏プラズマの自己組織化現象として，アップヒル拡散によるピークした密度分布の形成を実験的に確認した．更に，このアップヒル拡散に同期した低周波の密度・磁場揺動の存在も確認され，磁気圏プラズマの自己組織化を引き起こすメカニズム解明のための指針を得ることができた．
上記２点の研究が順調に進展したことにより，当初の計画以上の成果を上げていると評価できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度は磁気圏型プラズマの輸送物理の理解を深めるため，加熱及び粒子供給の条件を制御し，異なるパラメータ領域のプラズマに対し輸送特性の変化を調査する．本研究で開発を進めているトムソン散乱計測装置による電子密度・温度計測に加え，イオンの温度・流速，密度・磁場揺動の計測と総合して特徴的なパラメータを見出し，高ベータプラズマを自己組織化するメカニズムと構造を同定する．熱及び粒子輸送解析のため，電子温度・密度分布の情報に加えて加熱・粒子ソースの分布を見積もる必要がある．加熱分布に関しては核融合プラズマ研究において実績のある波動計算ソフトCOMSOLを用いる．粒子ソース分布に関してはRT-1に既設の10視線の分光計測を基にして衝突輻射モデルを用いた計算により評価する．
特に，平成３０年度の研究によりアップヒル拡散に同期した低周波の密度・磁場揺動の存在が確認されたため，これらの特性を詳細に調査することで，アップヒル拡散が起きるメカニズムを解明していく．具体的には，トロイダルおよび鉛直方向複数箇所に並べた磁気プローブアレイを作成し，揺動のモード数や回転速度などを計測する．各種プラズマパラメータに対する揺動の発生条件や構造の変化に着目しアップヒル拡散との関連を調査する．
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| Causes of Carryover |
研究成果をまとめた論文の出版経費を予定していたが，投稿の過程で予定より時間を要したため，令和元年度へ繰り越すこととした．
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[Presentation] Experimental approach for understanding self-organized plasma transport in laboratory magnetosphere RT-12018
Author(s)
M. Nishiura, Z. Yoshida, N. Kenmochi, T. Sugata, K. Nakamura, S. Katsura, K. Shirahata, Y. Yokota, T. Mori, C. Michael, J. Howard
Organizer
2nd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
Int'l Joint Research / Invited
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