2013 Fiscal Year Annual Research Report
ダイポール磁場配位を用いた電子陽電子プラズマの生成と基礎特性の解明
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25707043
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Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
齋藤 晴彦 東京大学, 新領域創成科学研究科, 客員共同研究員 (60415164)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 非中性プラズマ / ダイポール磁場 / 反物質プラズマ / 電子陽電子プラズマ |
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| Research Abstract |
従来実験室で実現されていない電子陽電子プラズマを生成する為には，任意の非中性度を持つプラズマの安定閉じ込めを実現すると共に，磁力線を横切る荷電粒子入射効率を極限的に高める必要がある．極めて非一様なダイポール磁場中では，系の優れた軸対称性により荷電粒子の純磁場閉じ込めが実現される．また，系の非対称化や時間的に変動する電磁場の印加により粒子運動の断熱不変量を一時的に非保存とする事で，粒子の径方向輸送が可能になる．こうした機構による荷電粒子の強磁場領域への侵入は，トラップ装置の動作原理として重要であるだけでなく，核融合装置や惑星磁気圏における粒子輸送を含む一般的な現象として解明する必要がある．
本研究では，研究用原子炉を使用した強力な陽電子源であるNEPOMUC施設において，ダイポール磁場配位中で電子陽電子プラズマ生成を目指している．本年度は，NEPOMUCから供給される50eV程度の陽電子について，ダイポール磁場配位の閉じ込め領域への入射効率と飛行距離を粒子軌道計算により調べた．その結果，局所電場及び回転電場を印加する事で，荷電粒子の断熱不変量が非保存となり，荷電粒子を90%以上の効率で線源から閉じ込め領域へと磁気面を越えて輸送可能である事が明らかになった．また，閉じ込め効率と高めるために有効と考えられる，陽電子ビームのエネルギー拡がりを抑制する手法についても検討を行い，原理の有効性について確証を得た．こうした数値計算結果に基づいて，強力なネオジム磁石によりダイポール磁場を発生する小型装置を開発し，純電子プラズマ実験を進めている．陽電子ビームのエネルギーを模擬可能な電子銃と，計測及び電子入射制御のための回路製作を終え，実験系の基本的な動作とドリフト入射による強磁場領域への電子到達を確認した．その上で，現在閉じ込め性能の評価を進めている．
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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
荷電粒子のダイポール磁場中への効率的な入射方法の開発を，数値計算と実験の両面から進め，現在までに一定の進展が得られている．これらは，最終目標である電子陽電子プラズマの生成を実現する上で鍵となる重要な研究段階である．粒子軌道解析について，先行研究では，放射線源から供給される高エネルギー陽電子のカオス的軌道の効果を使用した粒子入射方法を検討してきた．これに加えて，使用予定の陽電子源であるNEPOMUC装置から供給される比較的低エネルギーの陽電子ビームについての解析を新たに実施した．局所電場によるドリフト入射や回転電場を用いた径方向輸送と粒子入射が有効である事を軌道計算により示した．初期実験を実施する永久磁石を使用したダイポール磁場配位において，多数の粒子の軌道計算により実際のビームを模擬した定量的な入射特性の評価を実施した．その結果，適切な局所電場を印加する事により，供給される陽電子の損失を抑制しながら，強磁場領域に陽電子が到達可能である事が明らかになった．また，閉じた磁力線を持たない永久磁石装置においても，ミラー効果及び磁石表面のバイアス電圧印加により，長時間に渡りトロイダル方向に周回可能な成分が有意に存在する事を示した．プラズマとしての集団的現象を発現させるためには，荷電粒子を可能な限り低温化する事が望ましい．強磁場中ではシンクロトロン放射による電子及び陽電子の冷却効果が期待され，今後の実験による検証を予定している．実験に関しては，装置を構成するターボ分子ポンプ，超高真空部品，各種計測器等の導入を完了し，実現された10-7Pa台の清浄な真空下で純電子プラズマ実験を開始しており，入射した電子の閉じ込め性能の評価を進めている．一連の実験装置は，NEPOMUC施設と電気規格等が共通である隣接する実験棟において運転しており，陽電子実験を直ちに実施可能な状況下で準備を進めている．
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| Strategy for Future Research Activity |
一連の数値計算の結果に基づいて，純電子プラズマによる装置の入射閉じ込め特性についての基礎実験を実施した後に，次段階としてトロイダル陽電子プラズマの安定生成を行う計画である．プラズマの高精度の閉じ込め時間及び空間分布，静電陽動特性の評価方法として，先行研究で開発した鏡像電荷計測を予定しており，そのための計測機器を導入する予定である．また，2014年度には，NEPOMUCにおける陽電子ビームのマシンタイムを短時間取得しており，開発した永久磁石を使用した小型装置において，陽電子プラズマの入射及び閉じ込め性能の評価を行う事を予定している．純電子実験と異なり，陽電子実験では消滅ガンマ線計測を活用して，粒子の損失経路や閉じ込め特性を高精度で評価する事が可能になる．この計測実験のために，NaIシンチレーション検出器及び波高分析器を使用したガンマ線計測機器を導入する予定である．
これらの一連の研究に基づいて，本研究の最終段階では電子陽電子プラズマを生成する計画である．現在，共同研究グループにおいて，トラップへの入射陽電子数を飛躍的に向上させるための陽電子蓄積装置の開発が進められており，NEPOMUCにおいてこれらを活用した実験を実施する．また，電子陽電子プラズマに対しては，磁石へのバイアスによる電場を用いた閉じ込めは実施不可能である．こうした最終段階の実験では，永久磁石では生成不可能な，閉じた磁気面を持つ閉じ込め配位を生成する必要がある．液体窒素温度で運転可能な高温超伝導線材を使用した小型のダイポール磁場マグネットを永久電流モードで運転して実験に供する事を計画している．
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
実施時期が未定であった陽電子実験施設における陽電子入射・閉じ込め実験を，2014年度に実施する事となった．このため，初年度は陽電子の軌道解析及び純電子プラズマを使用した実験を一部前倒しして行う一方，陽電子実験の為の計測器導入を2014年度に実施する事とした．
主として，陽電子実験のための計測器購入費用として使用を計画している．陽電子計測の用途に，消滅ガンマ線計測のためのNaI検出器と波高分析器を導入する予定である．
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Research Products
(3 results)
