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高速イオン注入モデルを用いた非一様磁場中の低域混成波に関する粒子シミュレーション

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ1887
補助金の研究課題番号 22J15207 (2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2022)
応募区分国内
審査区分 小区分17010:宇宙惑星科学関連
研究機関京都大学

研究代表者

小谷 翼 (2023)  京都大学, 理学研究科, 助教

特別研究員 小谷 翼 (2022)  京都大学, 理学研究科, 助教
研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
1,700千円 (直接経費: 1,700千円)
2023年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2022年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワード低域混成波不安定性 / 低域混成波高調波 / 高速イオン / 電磁粒子シミュレーション / 非線形波動間結合
研究開始時の研究の概要

低域混成波と呼ばれるプラズマ波動は高速イオンによって駆動される事が知られており、地球磁気圏・彗星・核融合実験装置など様々なプラズマ環境で観測されている。低域混成波はイオンと電子の両方を加速させるため、低域混成波を駆動する不安定性の非線形発展を調べることは重要な物理課題である。
本研究では、非一様磁場のもとで高速イオンが駆動する低域混成波不安定性の非線形発展を二次元大規模電磁粒子シミュレーションを用いて調べる。特に磁場の非一様性が低域混成波の成長・伝搬に与える影響及びイオン加速に与える影響に注目する。本研究の成果は、磁場の非一様性が重要な彗星を始め、地球磁気圏や核融合プラズマへの応用が期待できる。

研究実績の概要

本研究は、高速イオンが駆動する、一様磁場及び非一様磁場における低域混成波不安定性の非線形発展を、電磁粒子シミュレーションを用いて解明することを目指している。高速イオンによって駆動される低域混成波は、宇宙プラズマや核融合プラズマなど様々なプラズマ環境で観測されている。低域混成波は粒子加速に大きな影響を与えるため、低域混成波不安定性を調べることは重要な物理課題である。
本年度では、前年度に続いて低域混成波の高調波構造について調べた。まず、前年度に低域混成波の高調波が非線形波動間結合によって励起されることを明らかにしたが、その研究成果が国際学術誌であるPhysical Review E誌に掲載された。
これまで限られたパラメーターでしか高調波を調べていなかったが、磁場の強度・密度・高速イオンの速度などのパラメーターを変化させた、複数の一次元シミュレーションを行った。その結果、高調波は幅広いパラメーター範囲で励起されることが明らかになった。この結果は、地球磁気圏の広い領域で高調波が励起される可能性を示唆している。
また並行して、低域混成波不安定性の二次元シミュレーションを行った。二次元では一次元とは異なり伝搬角が異なる波動同士の非線形波動間結合が考えられるが、二次元シミュレーションでも低域混成波の高調波が励起されることを確認することができた。次の段階として、非一様磁場中の高調波を含めた低域混成波不安定性を調べるための、シミュレーションコードの開発に取り組んでいる。
以上から、本研究は、低域混成波の高調波の励起機構を明らかにするとともに、高調波がイオン加速を促進する可能性及び地球磁気圏の広い領域で励起される可能性を提示した。この結果は、地球磁気圏で生じているイオン加速への応用が期待できる。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (16件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 6件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] Simulation study of the harmonic structure of lower hybrid waves driven by energetic ions2023

    • 著者名/発表者名
      Kotani Tsubasa、Toida Mieko、Moritaka Toseo、Taguchi Satoshi
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 108 号: 3 ページ: 0352082023-0352082023

    • DOI

      10.1103/physreve.108.035208

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Harmonic Structure of Lower Hybrid Waves Driven by Energetic Ions at 4000?km Altitude: PIC Simulation2023

    • 著者名/発表者名
      Kotani T.、Toida M.、Moritaka T.、Taguchi S.
    • 雑誌名

      Geophysical Research Letters

      巻: 50 号: 5

    • DOI

      10.1029/2022gl102356

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 高速イオン駆動による低域混成波の高調波構造に関する粒子シミュレーション2024

    • 著者名/発表者名
      小谷翼, 樋田美栄子, 森高外征雄, 田口聡
    • 学会等名
      物理学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Parametric study of the harmonic structure of lower hybrid waves driven by energetic ions2023

    • 著者名/発表者名
      T. Kotani, M. Toida, T. Moritaka, and S. Taguchi
    • 学会等名
      JpGU 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Parametric study of harmonic structure of lower hybrid waves driven by energetic ions2023

    • 著者名/発表者名
      T. Kotani, M. Toida, T. Moritaka, and S. Taguchi
    • 学会等名
      AGU Fall Meeting
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 高速イオン駆動による低域混成波の高調波構造に関する粒子シミュレーション2023

    • 著者名/発表者名
      小谷翼, 樋田美栄子, 森高外征雄, 田口聡
    • 学会等名
      プラズマシミュレータシンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 低域混成波高調波の励起および非線形発展に関するパラメーター依存性2023

    • 著者名/発表者名
      小谷翼, 樋田美栄子, 森高外征雄, 田口聡
    • 学会等名
      地球電磁気・地球惑星圏学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Simulation study of the harmonic structure of lower hybrid wave due to energetic-ion injection under strong magnetic field2022

    • 著者名/発表者名
      T. Kotani, M. Toida, T. Moritaka, and S. Taguchi
    • 学会等名
      JpGU 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Simulation study of the harmonic structure of lower hybrid waves driven by energetic ions2022

    • 著者名/発表者名
      T. Kotani, M. Toida, T. Moritaka, and S. Taguchi
    • 学会等名
      The International Conference on Numerical Simulation of Plasmas (ICNSP)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Simulation study of harmonic lower hybrid waves due to energetic-ion driven instabilities2022

    • 著者名/発表者名
      T. Kotani, M. Toida, T. Moritaka, and S. Taguchi
    • 学会等名
      The 31st International Toki Conference
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] PIC Simulation of Harmonic Lower Hybrid Waves Due to Energetic-ion-driven Instabilities2022

    • 著者名/発表者名
      T. Kotani, M. Toida, T. Moritaka, and S. Taguchi
    • 学会等名
      AGU Fall Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 高速イオン駆動による低域混成波の高調波構造に関する粒子シミュレーション2022

    • 著者名/発表者名
      小谷翼, 樋田美栄子, 森高外征雄, 田口聡
    • 学会等名
      プラズマシミュレータシンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Simulation study of the harmonic structure of lower hybrid wave driven by energetic ions: comparison with observation2022

    • 著者名/発表者名
      小谷翼, 樋田美栄子, 森高外征雄, 田口聡
    • 学会等名
      地球電磁気・地球惑星圏学会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] 小谷が地球電磁気・地球惑星圏学会学生発表賞を受賞

    • URL

      http://www-step.kugi.kyoto-u.ac.jp/topics/2022/000367.html

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] 小谷がITC31で Best Student Presentation Award を受賞

    • URL

      http://www-step.kugi.kyoto-u.ac.jp/topics/2022/000366.html

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] 小谷が日本地球惑星科学連合学生優秀発表賞を受賞

    • URL

      http://www-step.kugi.kyoto-u.ac.jp/topics/2022/000357.html

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-28   更新日: 2024-12-25  

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