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2021 Fiscal Year Research-status Report

An experimental study of particle acceleration in collisionless shock using electro-magnetically driven plasma flow

Research Project

Project/Area Number 20K14440
Research InstitutionUniversity of Toyama

Principal Investigator

竹崎 太智  富山大学, 学術研究部工学系, 助教 (90824326)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Keywordsパルスパワー放電 / 無衝突プラズマ / プラズマフォーカス
Outline of Annual Research Achievements

無衝突衝撃波とは宇宙空間で発生する衝撃波現象であり,宇宙空間の高エネルギー粒子の生成起源であると考えられているが,その詳細な粒子加速過程は明らかにされていない。実験室で無衝突衝撃波を再現し,その物理過程を理解するためには,高速な無衝突プラズマ流を生成する必要があり,我々はパルスパワー放電を利用したプラズマ流駆動装置を提案している。2020年度の研究実績では,小型かつ装置構成が簡便なプラズマフォーカス (PF) 装置を構築し,プラズマ流の発生を確認した。
本年度はPF装置の電極内部で発生したプラズマの挙動を評価するため,光ファイバーを電極に埋め込み,ファイバーを通してプラズマ自発光をアバランシェ・フォトダイオードで検出する,自発光計測系を構築した。自発光信号の検出箇所や検出時間差から,プラズマの発生箇所や進展速度を評価した。また,電極内の雰囲気ガスの圧力を変化させ,プラズマ挙動の圧力依存性を調査した。実験結果より,圧力の増加にともないプラズマの進展速度が低下する傾向が得られた。この傾向はPF装置内部の流体力学的モデルにより定性的に説明できる。一方,数値解析結果と実験結果を比較したところ,低圧力側では実験結果と数値解析結果に差異が生まれることがわかった。これは,低圧力側の無衝突領域では従来の流体力学的モデルが適用できず,PF装置を用いた無衝突プラズマ生成のための解析モデルの構築が必要と考える。
また,本装置で駆動されるプラズマ流を模擬した数値シミュレーションを行い,生成されたプラズマ流の多種イオンによる効果を調査した結果,多種イオンプラズマと外部磁場の相互作用により流体中の一部のイオンが加速される結果が得られた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度の研究によりPF装置内部のプラズマ挙動を評価する自発光計測系を構築することができた。低圧力側では実験結果と数値解析結果に差異がでることが明らかとなり,PF装置による無衝突プラズマ流の生成には,従来モデルの拡張が必要と考える。また,ファラデーカップを用いたイオン電流計測により,プラズマ温度・密度のパラメータ評価の準備が整った。
さらに,数値シミュレーション研究により多種イオンの効果によりイオン加速の効率が向上する結果が得られた。ガス放電プラズマの場合,雰囲気ガス種を簡便に変更することができることから,今後はガス種を変更した多種イオン効果の影響についても調査していきたい。

Strategy for Future Research Activity

今年度に構築したプラズマ自発光計測系を用いて,雰囲気ガスの圧力やガス種,充放電用コンデンサの容量や充電電圧を変化した場合の電極内での放電箇所およびプラズマ進展速度を評価する。また,従来のPF装置内部の流体力学的モデルを拡張し,実験結果と比較することで,PF装置で駆動される無衝突プラズマ流の速度および再現性を向上するための知見を得る。あわせて,今年度に構築したイオン電流計測系によりプラズマ流のパラメータを調査し,外部磁場の有無によるパラメータの変化を調査する。

Causes of Carryover

本課題の最終年度に消耗品購入のために使用するため。

  • Research Products

    (6 results)

All 2021

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (5 results) (of which Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Effect of multi-ion species on collisionless plasma driven by a compact plasma focus device in perpendicular magnetic field2021

    • Author(s)
      Takezaki Taichi、Kato Seigo、Oguchi Takuya、Watanabe Shuto、Takahashi Kazumasa、Sasaki Toru、Kikuchi Takashi、Ito Hiroaki
    • Journal Title

      Physics of Plasmas

      Volume: 28 Pages: 102109~102109

    • DOI

      10.1063/5.0055266

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 小型プラズマフォーカス装置による無衝突プラズマ流の生成と実験室宇宙物理への応用2021

    • Author(s)
      竹崎太智,他
    • Organizer
      2021年度電気・情報関係学会北陸支部連合大会
    • Invited
  • [Presentation] 小型プラズマフォーカス装置でのプラズマ進展速度のガス圧依存性2021

    • Author(s)
      加藤青吾,竹崎太智,他
    • Organizer
      2021年度電気・情報関係学会北陸支部連合大会
  • [Presentation] 小型プラズマフォーカス装置内部のプラズマ自発光計測2021

    • Author(s)
      加藤青吾,竹崎太智,他
    • Organizer
      2021年度 日本物理学会北陸支部 定例学術講演会
  • [Presentation] バイアスイオンコレクタを用いた小型プラズマフォーカス装置で生成されたプラズマ流の評価2021

    • Author(s)
      小口拓哉,竹崎太智,他
    • Organizer
      2021年度 日本物理学会北陸支部 定例学術講演会
  • [Presentation] 中真空領域でのプラズマフォーカス駆動に関する研究2021

    • Author(s)
      竹崎太智,他
    • Organizer
      2021年度核融合科学研究所 共同研究形式研究会プログラム 「パルスパワー技術およびプラズマ・量子ビーム技術の最新動向」

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Published: 2022-12-28  

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