2021 Fiscal Year Annual Research Report
Verification that a hydrogen ionic plasma protected by a dipole magnetic field is negative-index metamaterials
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21H01057
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| Research Institution | Yamaguchi University |
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Principal Investigator |
大原 渡 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (80312601)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | プラズマ・核融合 / 水素イオン性プラズマ / ダイポール磁場 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素プラズマ流中にダイポール磁場を形成すると，正負イオンのみから構成される水素イオン性プラズマが，磁場に保護されて安定して維持されるのかを明らかにしようとしている．プラズマ流領域の拡大を目的に，長さ182 cmの真空容器を延長して，タンデムプラズマ源を構築した．タンデムプラズマ源の間に電位差をつけることにより，正イオン流のエネルギーを制御できるようになり，高速の太陽風を模擬した水素プラズマ流を形成することが可能になった．地球のような地磁気を有する惑星を模擬して，サマリウムコバルト磁石を埋め込んだ直径6 cmのアルミニウム球電極を設置して，水素プラズマ流中にダイポール磁場を形成する環境が実現された．赤道側にプラズマ源があり，この昼側から下流方向の夜側まで，球電極周囲のプラズマ分布を測定した．南北方向に長さ7 cm，昼夜方向に長さ14 cmの断面分布を，プローブにより測定した．
水素イオン性プラズマを形成するためには，電子除去のため20 mT程度の偏向磁場が必要であった．地球の地磁気は，極域において0.06 mT程度で，赤道付近ではその半分程度である．一方，極域の球電極表面は100 mT程度で，極表面から1 cm離れた地点で22 mT程度もある．この極域上空において，負イオンが多く存在することが明らかになった．また，赤道表面から5 mm程度離れた空間領域において，イオン性プラズマに近い状態が維持されることも明らかになった．
アルミニウムを用いた水素負イオン生成機構の解明に関して，大きな進展があった．引出孔を通過した粒子に電場を印加すると，崩壊が発生して，空間中に脱離電子が現れる．電場の印加とイオン質量の関係を分析したところ，崩壊に伴って水素負イオンが生成され，分子状負イオンなど高質量イオンの存在も明らかになった．
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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
水素プラズマ流中にダイポール磁場を形成すると，水素イオン性プラズマが安定して維持されるのかを調べている．エネルギーを制御できる水素プラズマ流を形成することができるようになった．ここで，地磁気のある惑星を模擬した，ダイポール磁場が印加されたアルミニウム球電極へ，プラズマ流の照射を行えるようになった．また，球電極周辺プラズマを計測できるように，2次元面を計測できるプローブシステムの開発を行った．磁力線の向きが1方向に固定した場合の，磁束密度の2次元面の測定を行った．プラズマ分布は，ダイポール磁場の影響を受けた空間構造を持つことが明らかになった．空間構造の詳細や，測定できる範囲が限定されているという課題はあるが，本研究の主テーマである，ダイポール磁場中のプラズマ分布計測はできるようになった．
アルミニウムを用いた水素負イオン生成機構の解明に関しては，計画以上の進展があった．従来想定していた負イオン生成機構とは全く異なり，第3の粒子が介在していることが明らかになりつつある．電場印加による崩壊現象とリンクしているので，より詳細に調べる必要がある．また，水素イオン性プラズマが左手系媒質であることを実証するために，波動伝搬特性について調べた．波動の励起信号と伝搬波の信号から波数の導出を行ったが，位相速度が負値となる逆進行波が分散関係に現れた．波動の励起特性が測定データに含まれているため，これが物理的に理解し難い逆進行波が分散関係に現れる原因と推定している．
以上のことから，計画通りに実施して，狙い通りの成果が得られた事項だけでなく，改善すべき事項もあるが，おおむね順調に進展していると評価した．
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| Strategy for Future Research Activity |
地磁気のある惑星を模擬した，ダイポール磁場が印加されたアルミニウム球電極周辺プラズマの，2次元面を計測できるプローブシステムを開発したが，球電極から遠方の，より弱磁場領域までプラズマ分布を明らかにする必要があり，プローブ掃引範囲の拡充を図る必要がある．南北方向や昼夜方向に測定可能範囲を広げた測定ができるように，電動スライダーやプローブ形状の改良を行う．また，磁場分布はテスラメータで測定しているが，数mT以下の弱磁場や，場所によって異なる磁力線ベクトルを精度良く測定することは難しい．数値計算によって，ダイポール磁場分布を導出して，測定されたプラズマ分布との比較検討を行う予定である．
アルミニウムを用いた水素負イオン生成機構の解明に関しては，高質量の粒子が関係していることが明らかになった．これまで用いてきた磁場偏向型質量分析器はコンパクトで，水素イオンとヘリウムイオンは精度良く測定できた．電極サイズを大きくして，電磁石コイルを強磁場化して，より高質量イオンの質量分析ができる質量分析器を製作する．
水素イオン性プラズマ中における，波動伝搬特性の解明において，2つの大きな改善が必要である．1つは，波動の励起特性が測定データには含まれないようにして，伝搬特性だけ測定できるように，計測方法の改善を行う．空間位置が異なる2本のプローブを用いて，異なる位置の波動信号を同時計測できるようにして，伝搬特性だけ測定するように改善する．もう1つは，水素イオン性プラズマの直径を大きくすることである．これまでは，負イオン生成するプラズマグリッドの引出孔径は1.3 cmで，水素イオン性プラズマの直径は小さい．この直径では半径方向の密度勾配が大きく，波動の平面波近似が難しいという問題があった．そこで，直径4 cmに大型化した水素イオン性プラズマの生成を試みる．
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