2015 Fiscal Year Annual Research Report
Experimental studies on two-fluid plasmas by using lithium ion and electron plasmas
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26287144
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
比村 治彦 京都工芸繊維大学, その他部局等, 准教授 (30311632)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
政宗 貞男 京都工芸繊維大学, その他部局等, 教授 (00157182)
三瓶 明希夫 京都工芸繊維大学, その他部局等, 講師 (90379066)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | ２流体プラズマ / 非中性プラズマ / ２流体効果 / プラズマ閉じ込め / ペニングトラップ / プラズマ回転平衡 / ２次元画像計測 / 誘導電荷計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
様々な領域に広がるプラズマには、その学理が実験、理論、計算の協奏により確立されているという共通性がある。近年、理論計算の進歩に伴い、「2流体プラズマ」が多くのプラズマ関連分野で取り上げられている。一方、実験からも2流体の存在を示唆する間接データが出されつつあるものの、実験の難易度が高く、その詳細は不明である。そこで本研究では、イオン流体と電子流体を別々に生成してマージングするという新しい手法により、理論計算が言う所の理想的な2流体プラズマを初めて作り出し、その状態から生じるプラズマ現象、特に2流体効果を実験的に検証し、その結果を理論と比較することを目的として実施した。平成27年度に得られた代表的な研究実績は以下の通りである。
1. イオン流体と電子流体を別々に生成してマージングするために、ペニングトラップを原型とした新しい実験装置を設計・製作した。この装置の特徴は、イオン源と電子源が直線型装置の一端に集められており、装置のもう一端側を計測器用に供することができるものであり、反物質研究へも応用できるだろう。
2. イオン流体を軽元素の一つ、リチウムを用いて実際に生成し、その閉じ込め特性を理論計算と比較した。また、この研究では、当初の研究計画を超えて、イオン流体のダイナミクスを模擬するPICシミュレーションコードの開発も行い、これまで不明とされていた幾つかの現象を解明しつつある。
3. イオン流体と電子流体の2次元イメージを連続的に撮影する新しい計測手法を開発した。
4. イオン流体と電子流体の重畳実験ができるように、装置シーケンス制御系の準備を完了した。
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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
1. 研究計画通り、正の電荷のみを持つイオンプラズマと、負の電荷だけからなる電子プラズマを別々に生成して、閉じ込め、そしてそれらプラズマを回転平衡状態に緩和させるための実験装置を設計・製作し、そのプロセスを実験的に確立した。
2. この検証実験のポイントの一つに、磁場強度が0.1Tと比較的弱い磁場中でイオンプラズマを安定に長時間閉じ込めることができるかどうかがあった。これに対しては、まずイオン流体の2次元回転平衡分布を計算で求めて、それからその計算結果と近いパラメータを持つイオンビームを入射する等の細かな工夫で解決することができた。
3. 次に、イオンプラズマと電子プラズマという異なる2つのプラズマをどのようにして別々にかつ同時に閉じ込めるかという技術的課題についても、電子プラズマの生成過程に複数の電子ビーム束の自己組織化を利用することを着想し、実際に実験的に確立できた。
4. 直線型ペニングトラップ装置で、イオンプラズマと電子プラズマのように、異なる電荷を持つ荷電粒子群のイメージ画像を蛍光盤付きMCPで同時に撮影した例も過去ない。これを実現するために、高電圧リレーを用いた新しい撮影方法を開発した。この方法により、イオンプラズマと電子プラズマのイメージ画像を連続的に撮影することができた。また、このイオンプラズマ測定に対しては、上述の通り、MCP付蛍光盤の適用方法を確立した。
5. 互いに独立した回転流体運動を行っているイオンプラズマと電子プラズマをマージングすることで、理論で言う所の2流体効果が発現するパラメータ領域でのそれらプラズマの2次元ダイナミクスを観測できる実験手法を確立した。しかし、今現在、その実験を進めている最中であり、実験データの蓄積にもうしばらく実験時間が必要である。
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| Strategy for Future Research Activity |
1. 上述の通り、現在、実験データの蓄積を行っている。これは当初予定より、約半年から1年遅れている。このような遅れが生じた原因には2つあり、1つ目は初年度のDC電源装置の納品が年度の終わりにまで遅れたこと、2つ目はイオンプラズマの生成と閉じ込め実験中にこれまで未解明とされてきている現象のメカニズムに気が付いたことによる。1つ目については、電源メーカー側の事情であり、我々研究者側の責任ではなかった。2つ目については、その現象は本研究課題に対してだけでなく、反物質研究分野との関連からも重要と考えられ、その研究を完結させることを優先させた。現在投稿論文の準備を終えつつある。今後、イオンプラズマと電子プラズマのマージングによる2流体プラズマダイナミクスの実験データの蓄積に戻り、実験を継続する必要がある。
2. 上述の通り、イオンプラズマのイメージ画像を撮影する手法は確立できたが、このイメージ画像には、直前までのショット（プラズマ生成）の履歴が含まれているような解析結果が得られている。この履歴の原因については概ね解明できており、現在、追試を行っている。実験データの精度向上のために、この履歴は除去される必要がある。
3. 最後に、これは実験データの蓄積と解析終了後に判断する事になるが、例えばこの研究課題で得られる知見を核融合炉心プラズマ等に適用する場合、磁場強度とイオン密度の違いが一つの懸念になるかもしれない。その場合には、強磁場下での追試が必要だろう。また、それら核融合プラズマの磁場は曲率やシアーを持っている。この相違点に対しても直線磁場に少し曲率を持たせるなどした実験が求められるかもしれない。
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| Causes of Carryover |
平成27年12月、リチウムイオンプラズマ閉じ込めに関する投稿論文の査読コメントが返され、閉じ込め磁場強度が弱いことに起因するリチウムイオンプラズマの非熱平衡状態を指摘された。研究遂行上、この指摘を解決する事が必要なため、リチウムイオンプラズマの熱平衡に関する計算を行い、閉じ込め磁場強度依存性確認のためのリチウムイオンプラズマ閉じ込め追加実験を行う必要が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
当初研究計画では、平成27年10月までに蛍光盤付きMCPど動特性評価実験、リチウムイオンプラズマ閉じ込め実験を完了し、平成28年3月までにリチウムイオンプラズマと電子プラズマの重畳実験を完了する予定であった。
計画変更後、平成27年12月からリチウムイオンプラズマの熱平衡に関する検討を平成28年3月まで行う。平成28年4月から6月末まで、リチウムイオンプラズマ閉じ込めの追加実験を行う。平成28年7月からリチウムイオンプラズマと電子プラズマの重畳実験を行う。
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Research Products
(16 results)
