2020 Fiscal Year Annual Research Report
Experimental research of collisionless shock in an extremely high-beta magnetized plasma
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20H00143
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
浅井 朋彦 日本大学, 理工学部, 教授 (00386004)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
井 通暁 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (00324799)
長山 好夫 日本大学, 理工学部, 特任教授 (10126138)
高橋 俊樹 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (10302457)
岩本 弘一 日本大学, 理工学部, 教授 (30318357)
阿部 新助 日本大学, 理工学部, 准教授 (40419487)
高橋 努 日本大学, 理工学部, 教授 (50179496)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 無衝突衝撃波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
宇宙空間で生じる衝撃波は，粒子間衝突なく電磁場を介してエネルギー散逸が起こる無衝突衝撃波であり，天文学やプラズマ物理学における重要な研究課題である。宇宙空間では観測が限定されることから，実験室内に無衝突衝撃波を再現し局所情報と巨視的振る舞いを同時に捉えることが重要であり，本研究では実験室系で最も高いベータ値を持ち，その内部の広い領域でβが100%を超えるFRCプラズマを相対速度100 － 1000 km/sに加速・衝突させ生成される無衝突衝撃波を直接観測し，衝撃波解析の結果と比較検証することを目的とした。
観測対象は，全長2m，直径0.8mの円筒真空容器内に生じる衝撃波であり，対向して設置された生成部から磁気圧差によりプラズモイドを加速，中央部で衝突させ衝撃波を形成し，軸方向に伝播する衝撃波遷移層や衝撃波周辺の電磁場構造などを直接観測する。衝突するプラズモイドは軸対称な円柱形状であり，互いに直交する電流と磁場のみを持つ極限的にシンプルな磁場構造であることから，背景磁場中における無衝突衝撃波の生成や散逸過程を再現できる。
令和２年度は実験の準備段階として，主にプラズモイドの移送速度制御と電磁場計測の準備を進めた。具体的には，プラズモイド加速のためのパルス磁場コイルの設計，および運転条件最適化のためのシミュレーションと，生成部においてシータピンチによりプラズマを生成するパルス電流分布の最適化のための集電板の設計・製作を実施した。また，プラズモイドの衝突および発生する衝撃波の描像を得るため，３軸磁気プローブアレイおよびラングミュアプローブアレイの開発及び性能評価を完了した。
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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
年度当初は，コロナウイルス感染症拡大防止による入構制限などの影響を受け，実験やその準備が滞ったが，当初予定していた電磁場の直接計測のための計測機器の開発およびその性能評価を予定通り終えることができた。また，プラズモイドの加速性能の向上を目指した，パルス磁場コイルの開発を進め，また，電流密度増加のための集電板の設計・製作を予定通り終えた。一方で，衝撃波による不連続面を含むシミュレーションは，計算対象であるプラズマが，その高ベータ特性のためMHD近似の枠外にあるためか，実験結果を再現できておらず，継続してモデルの最適化や計算条件の検証を進める。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和３年度は，昨年度までに製作が完了したパルス磁場コイルおよび電流密度増加のための集電板を用い，秒速1000kmまでのプラズモイド加速実験を進める。また，プラズモイド衝突や衝撃波の大域的描像を観測するため，トモグラフィや高速度カメラによるイメージング計測の準備を進める。
衝撃波による不連続面を含むシミュレーションについては，継続してモデルの最適化や計算条件の検証を進めるほか，イオンの運動論的効果の評価方法等について検証し，シミュレーションの精度向上を目指す。
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