宇宙プラズマの運動論効果を考慮した波動観測アンテナ特性の研究

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12440131
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 臼井 英之 京都大学, 宙空電波科学研究センター, 助教授 (10243081)
• 研究分担者: 小嶋 浩嗣 京都大学, 宙空電波科学研究センター, 助教授 (10215254) ; 大村 善治 京都大学, 宙空電波科学研究センター, 教授 (50177002) ; 松本 紘 京都大学, 宙空電波科学研究センター, 教授 (00026139)
• キーワード: 計算機実験 / 宇宙プラズマ / アンテナ特性 / 電磁粒子シミュレーション / アンテナインピーダンス / プラズマシース / 光電子 / プラズマ波動

研究概要

本研究の目的は、磁気圏プラズマ中における波動観測用アンテナ特性をシース効果、光電子、デバイ遮蔽などのプラズマ運動論効果を考慮した3次元電磁粒子計算機シミュレーションにより定量的に評価し、観測波動の正確な電界強度と位相の算出に役立てることである。
平成12年度は、3次元電磁粒子シミュレーションコードKEMPOに改良を加え、宇宙プラズマ空間に置かれた非プラズマ物体と周辺プラズマとの相互作用についてもプラズマの運動論的な振る舞いを無視せず解くことができるよう工夫した。これを用いて、アンテナ近傍に形成されるプラズマシースダイナミクスとそのアンテナインピーダンスへの影響を調べ、コールドプラズマ近似理論とは異なり、シース幅が大きくなるに従いその影響が少なくなることを明らかにした。平成13年度は、アンテナからの光電子放出がアンテナ環境・特性にどのような影響を与えるのかを調べるために3次元計算機実験を行った。まず、光電子放出により高密度の電子シースが形成され、それによる高周波領域でのアンテナ電位の変動が見られた。また、背景プラズマのプラズマ振動周波数におけるインピーダンス変化に加え、光電子群による高周波プラズマ振動の影響が加わることが明らかとなった。平成14年度は、ホットプラズマ中でのアンテナ特性理論との比較を行い、高い熱速度では共振が鈍化することが確認された。また、アンテナの表面電流は正弦波状となり、アンテナインピーダンスを求める上での理論の仮定とよい一致を示すことも確認された。ただし、受信アンテナ特性を考える時、表面電流は、アンテナに接続される負荷抵抗に左右され、表面電流から求められる実効長は変化する。今後はより実際に近いモデルとして、受信アンテナシミュレーション手法を確立し、インピーダンス、実効長、ピックアップファクターの調査、光電子、プラズマシースの影響、勢速度が高い場合のインピーダンス解析を行っていく。

研究成果

• [文献書誌] Usui, H., C.K.Birdsall, J.Verboncoeur: "Development of 1D Object-Oriented Particle-in-Cell Code (1d-XOOPIC)"IEICE Transactions (Electronics). E83-C,6. 989-992 (1999)
• [文献書誌] Usui, H., F Yamashita, H.Matsumoto: "Computer Experiments on the Measurement of Reentry Plasma with Radio Waves"Advances in Space Research. 24. 1069-1072 (1999)
• [文献書誌] Usui, H., H.Matsumoto, R.Gendrin: "Numerical simulations of a three-wave coupling occurring in the ionospheric plasma"Proceedings of ISAP2000. Vol.2. 811-814 (2000)
• [文献書誌] Usni, H., H.Matsumoto, F.Yamashita: "Antenna analysis in magnetized plasma via particle-In-Cell simulations"Proceedings of ISAP2000. Vol.3. 1327-1330 (2002)
• [文献書誌] Usni, H., H.Matsumoto, R.Gendrin, T.Nishikawa: "Computer experiments on a three-wave in association with microwave power transmission in space plasma"IEICE Transactions, (Innovation in Antennas and Propagation for Expanding Radio Systems). Vol E84-B, No.9,. 2566-2573 (2001)
• [文献書誌] Usni, H., H.Matsumoto, R.Gendrin: "Numerical simulations of a three wave coupling occurring in the ionospheric plasma"Nonlinear Processes in Geophysics. Vol.9 No.1. 1-10 (2002)