| 研究課題/領域番号 |
15K05367
|
|---|
| 研究機関 | 核融合科学研究所 |
|---|
研究代表者 |
樋田 美栄子 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (00273219)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2019-03-31
|
| キーワード | プラズマ / 無衝突衝撃波 / 粒子加速 / 不安定性 / 粒子シミュレーション / 陽電子 |
|---|
| 研究実績の概要 |
多次元相対論的電磁粒子シミュレーションによって、非線形磁気音波による粒子加速を研究している。特に、電子のサイクロトロン周波数がプラズマ周波数より大きいような、比較的強い磁場中の衝撃波による粒子加速と、高速粒子による不安定性に注目している。
空間１次元のシミュレーションにより、磁場に対して斜め方向に伝播する衝撃波は、一部の電子を捕捉し、それらを超相対論的エネルギーに加速する場合があること、電子・イオン・陽電子からなる３成分プラズマでは、陽電子は衝撃波面に形成される磁場に平行方向の電場によって加速されることなどが、これまで分かっている。また、空間を２次元に拡張すると、捕捉電子が引き起こす不安定性によって、衝撃波中の電磁擾乱が大振幅となり、それらが電子やイオンの加速を促進することが示されている。今年度は、電子・イオン・陽電子の３成分プラズマにおける衝撃波の伝播と構造形成、それに伴う粒子加速を、空間２次元・速度３次元の相対論的電磁粒子シミュレーションで調べた
陽電子は衝撃波に出合うと、まずは、衝撃波面の平行電場によって加速されるが、その後、捕捉電子による電磁擾乱の影響を受けて、陽電子の運動はいくつかのタイプに分かれることが明らかになった。その中には、磁場に平行方向に加速されて上流に反射された後、大きな旋回半径で旋回運動することで衝撃波を出入りし、更に高いエネルギーに加速されるものがある。このような陽電子は、１次元のシミュレーションでも観測されていたが、２次元シミュレーションでは、その割合が増加することが分かった。
また、衝撃波面によって反射されて加速された高速イオンは、リング状の速度分布を持つ。そのような高速イオンによって、様々な周波数帯の波が不安定になるが、それについてもシミュレーション研究を開始した。
|
| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
平成２９年度は、電子・イオン・陽電子からなる３成分プラズマ中の磁気音波の衝撃波による粒子加速についてシミュレーションを行い、陽電子加速における捕捉電子の効果を明らかにすること目標とした。シミュレーションを積み重ねて、陽電子の運動を詳しく調べたところ、その運動は予想していたよりも多様であることが分かった。その理由を探るために当初の予定よりも長い時間を要したが、裏付けとなるデータを得ることができ、現在、この成果について、論文を執筆中である。
また、リング状の速度分布を持つ高速イオンによる不安定性についても、シミュレーションを行い、イオンサイクロトロン波や低域混波の成長と非線形発展を明らかにした。シミュレーション結果は、核融合科学研究所の大型ヘリカル装置(LHD)の実験結果を定性的に説明するものであり、この成果をまとめた論文を出版した。高速イオンによる不安定性は、衝撃波の構造形成と粒子加速にも影響を与えるため、本研究課題にも大きく関連するものである。
これらの研究を推進したため、当初予定していた、複数の大振幅磁気流体波（前進・後進衝撃波とその間の大振幅アルヴェン波）の形成と粒子加速についてのシミュレーション研究に着手することはできなかった。そのため、予定に比べると、少し遅れ気味であるといえる。しかし、予想外の結果と、今後の研究の広がりが期待できる進展があったため、この遅れは意義のあるものといえる。
|
| 今後の研究の推進方策 |
平成３０年度は、本研究課題の最終年度となる。その集大成として、非線形磁気音波による陽電子加速における捕捉電子の効果についての論文を完成させる。
また、平成２９年度に開始した、高速イオンによる不安定性のシミュレーションを更に発展させる。特に、高速イオンの注入と損失を取り入れたシミュレーションを開始する。これらの効果は、衝撃波で加速されたイオンによる不安定性だけでなく、LHDにおける高速粒子による不安定性についても、重要になると考られる。イオンサイクロトロン周波数より高い周波数を持つ波に注目し、それらの非線形発展を明らかにすることを目指す。
そして、この不安定性が衝撃波の構造形成や粒子加速に及ぼす影響についての研究に、発展させていく。
|
| 次年度使用額が生じた理由 |
次年度から、新たに大学院生をこの研究課題に参加させて、研究を加速させることを検討している。大学院生が使用するパソコンやソフトウエアなどを購入するために、今年度の研究費の使用を少し控えた。次年度は、これらの機器の購入と、海外で開催される国際会議における研究成果の発表などのために、研究費を使用する予定である。
|
