衛星観測と計算機実験による地球磁気圏におけるイオン-波動-粒子結合系の物理-磁気圏物理学の新展開-

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15204044
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 松本 紘 京都大学, 宙空電波科学研究センター, 教授 (00026139)
• 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 義治 京都大学, 宙空電波科学研究センター, 教授 (50177002) ; 橋本 弘藏 京都大学, 宙空電波科学研究センター, 教授 (80026369) ; 上田 義勝 京都大学, 宙空電波科学研究センター, 助手 (90362417) ; 臼井 英之 京都大学, 宙空電波科学研究センター, 助教授 (10243081)
• キーワード: プラズマ波動観測機 / アナログASIC / 計算機実験 / 波動-粒子相互作用 / 非線形 / gm-Cフィルタ / プラズマ波動 / 超小型

研究概要

本年度は、まず、超小型プラズマ波動観測器の基礎研究を進めるために、アナログ部をひとつのチップの中に納めてしまうアナログASIC化技術についての調査を行った。まず、アナログ部をチップ化するにあたって、どの程度のスペックの部品までASIC内に収められるのか、そして、プラズマ波動観測器特有の回路をASIC化するにあたって、どこに困難さがあるのか、を調査した。その結果、現在、想定されているアナログ部をチップ化するにあたって、いくつかの問題点が明らかになった。まず、帯域制限フィルタを実現するにあたって、L-C filterなどでは、低周波であるため、大きなインダクタンスが必要になる。これをチップ内に実現することは不可能である。次に、電界信号などは、信号のダイナミックレンジが広いために、多ビットのA/Dコンバータが必要となるが、これも精度のよいA/Dコンバータを一つのチップ内に納めるのは、難しい。そこでアナログ部のチップ設計をすすめるにあたり、まず、波動観測器としては必須であるフィルタの問題に取り組んだ。メインアンプ前段の帯域制限フィルタは、低ノイズである必要があるので、L-Cフィルタが望まれるが、インダクタンスが必要でチップ内実現は困難である。それで、この帯域制限フィルタとして、FETのコンダクタンスgmとキャパシタンスを利用するgm-cフィルタを利用することにした。このgm-CフィルタをSPICEシミュレーション上で実現し、100kHzという低周波にCutoffをもつ2次のバタワース型のフィルタの設計に成功した。一方、計算機実験では、大規模な計算機実験を行い、地球磁気圏内部の至るところでみられる電子ビーム/イオンビームがどのように波動と相互作用を起こし、その非線形段階へと発展していくかのパラメータ依存関係を明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] Shin, K., H.Kojima, H.Matsumoto, T.Mukai: "Electrostatic quasi-monochromatic waves in the downstream of the bow shock : Geotail observations"Adv.in Space Res.. (in press). (2004)
• [文献書誌] Ueda, Y., H.Kojima, M.Matsumoto, K.Hashimoto, I.Nagano, T.Okada, T.Mukai: "Lower hybrid waves observed at the dayside polar region : SS-520-2 rocket experiment"Radio Science. 38. 6-1-6-9 (2003)
• [文献書誌] Umeda, T., Y.Omura, P.H.Yoon, R.Gaelzer, H.Matsumoto: "Harmonic Langmuir waves : III. Vlasov simulation"Physics of Plasmas. 10. 382-391 (2003)
• [文献書誌] Nishimura, K., H.Matsumoto, H.Kojima, S.P.Gary: "Particle simulations of re-formation at collisionless perpendicular shocks : Coherent behavior of reflected ions"J.Geophys.Res.. 108. SSH3-1-SSH3-5 (2003)