Formation and investigation of electron-positron plasma in a dipole magnetic field configuration

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25707043
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 齋藤 晴彦 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 客員共同研究員 (60415164)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: ダイポール磁場 / 陽電子ビーム / 非中性プラズマ / 反物質プラズマ / 高温超伝導線材

Outline of Annual Research Achievements

ダイポール磁場配位における電子陽電子プラズマの生成を目指す基礎研究を継続して行った．今年度の大きな成果として，閉じ込め系の対称性の向上により，永久磁石を使用したダイポール装置において，長時間（1秒以上）の陽電子閉じ込めを実現した．これは，閉じ込め中の入射用電極電位及び永久磁石電位の最適化により得られたものであり，中性粒子衝突による拡散を介して真空度が閉じ込め時間を規定する段階に到達したと考えられる．閉じ込め時間の評価については，従来の消滅ガンマ線の長時間計測に代わり，電極バイアスによる系の非対称化により陽電子の急速損失が可能である事が判明し，捕獲用電子数を短時間で計測可能な方式を考案した．これにより計測精度が大きく向上し，様々な条件下で閉じ込め実験を実施する事で，系の対称性，ミラー損失，中性粒子の効果を分離して損失機構を評価する事が可能になった．これは，超伝導装置において電子陽電子をプラズマとして捕獲する上でも重要な知見と言える．
並行して，超伝導ダイポール磁場装置の開発研究を継続して実施した．2016年度までに作成した小型巻線を使用して，GM冷凍機を用いた直接冷却と外部コイルによる励磁を実現した．これらの成果に基づいて，高温超伝導（Bi-2223）線材を使用した浮上コイル及び励磁用コイルのパラメータを決定し，核融合研究所において巻線を作成した．これらの巻線は，強度確保のための含浸処理を施した上でプラズマ生成に使用可能な状況にある．
上記の通り，当初計画していた超伝導コイルによるプラズマ生成という目標には到達しなかったが，電子陽電子プラズマに到る上で鍵となる，荷電粒子の長時間閉じ込めとその機構の解明，小型ダイポール磁場生成のための高温超電導巻線の作成と試験運転について進展を得た．

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] マックスプランク・プラズマ物理研究所/ミュンヘン工科大学(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: マックスプランク・プラズマ物理研究所/ミュンヘン工科大学
• [Journal Article] Manipulation of positron orbits in a dipole magnetic field with fluctuating electric fields (2018)
  • Author(s): H. Saitoh, J. Horn-Stanja, S. Nissl, E.V. Stenson, U. Hergenhahn, T. Sunn Pedersen, M. Singer, M. Dickmann, C. Hugenschmidt, M R. Stoneking, J.R. Danielson, and C.M. Surko
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 1928 Pages: 020013 1-6
  • DOI: 10.1063/1.5021578
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Progress of the APEX experiment for creation of an electron-positron pair plasma (2018)
  • Author(s): U. Hergenhahn, J. Horn-Stanja, S. Nissl, T. Sunn Pedersen, H. Saitoh, E.V. Stenson, M.R. Stoneking, M. Dickmann, C. Hugenschmidt, M. Singer, J.R. Danielson, and C.M. Surko
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 1928 Pages: 020004 1-11
  • DOI: 10.1063/1.5021569
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Toward a compact levitated superconducting dipole for positron-electron plasma confinement (2018)
  • Author(s): M.R. Stoneking, H. Saitoh, M. Singer, E.V. Stenson, J. Horn-Stanja, T. Sunn Pedersen, S. Nissl, U. Hergenhahn, N. Yanagi, C. Hugenschmidt, M. Dickmann, J.R. Danielson, and C.M. Surko
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 1928 Pages: 020015 1-6
  • DOI: 10.1063/1.5021580
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 低エネルギー陽電子を用いた電子-陽電子プラズマ研究 (2017)
  • Author(s): H. Higaki, J. Horn-Stanja, E.V. Stenson, H. Saitoh, U. Hergenhahn, T. Sunn Pedersen, M. Singer, M. Dickmann, and C. Hugenschmidt
  • Journal Title: 原子衝突学会誌「しょうとつ」 Volume: 14 Pages: 15-24
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Chaotic long orbits of energetic positrons in a dipole magnetic field configuration (2017)
  • Author(s): H. Saitoh, J. Horn-Stanja, E.V. Stenson, M. Singer, U. Hergenhahn, T. Sunn Pedersen, Y. Kawazura, Y. Yano, M. Nishiura, and Z. Yoshida
  • Organizer: 12th International Workshop on Non-neutral Plasmas
• [Presentation] Injection and manipulation of positron beam in a dipole magnetic field toward the creation of electron-positron pair plasmas (2017)
  • Author(s): H. Saitoh, J. Horn-Stanja, E.V. Stenson, U. Hergenhahn, T. Sunn Pedersen, M. Singer, M. Dickmann, C. Hugenschmidt, M.R. Stoneking, and J.R. Danielson
  • Organizer: 1st Asia-Pacific Conference on Plasma Physics (AAPPS-DPP2017)
  • Invited
• [Presentation] ダイポール磁場配位を用いた陽電子閉じ込め研究の進展 (2017)
  • Author(s): 齋藤晴彦，T. Sunn Pedersen, J. Horn-Stanja, E.V. Stenson, U. Hergenhahn, M. Singer, M. Dickmann, C. Hugenschmidt, M.R. Stoneking, and J.R. Danielson
  • Organizer: 物理学会第73回年次大会