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非線形磁気音波の伝播とそれに伴うプラズマの加速を、理論と粒子シミュレーションを用いて研究している。本年度は、大振幅衝撃波とイオン加速におけるイオンの組成の効果、円柱状の波面を持つ衝撃波による電子の捕捉と加速等について、以下の成果が得られた。
1) 2種類のイオンを含むプラズマ中の磁気音波には、低周波と高周波の2種類のモードが存在し、低周波モードの共鳴周波数ω_<-r>と高周波モードのカットオフ周波数ω_<+0>の差Δ_ω=(ω_<+0>-ω_<-r>)/ω_<+0>はイオンの組成に依存する。前年度の研究で、Δ_ωが非線形磁気音波において重要なパラメータとなることを理論的に指摘し、粒子シミュレーションを用いて、低周波モードの非線形パルスの振幅εが2Δ_ωを超えると、そのパルスから高周波モードのパルスが生成されることを示した。本年度はこの研究を発展させ、2Δ_ωよりもずっと大きい振幅の衝撃波とイオンの加速を、3次元粒子シミュレーションで調べた。Δ_ωが小さいプラズマでは、高周波モードの衝撃波が形成されイオンを加速するが、Δ_ωが大きいプラズマでは高周波モードと低周波モードの両方の衝撃波が形成され、それらがイオンの加速に寄与することを明らかにした。さらに後者の場合は、低周波モードの存在が、重イオンの加速を促進することを示した[1]。
2) 磁場に対して斜めに伝播する衝撃波中の電子の運動における波面の曲率の効果を、2次元粒子シミュレーションで調べた[2]。円柱状の波面の衝撃波においても、電子の捕捉と超相対論的な加速が起こることを実証した。さらに、波面に曲率があると、平面波の場合とは違って、捕捉粒子の大部分が高エネルギーのまま波面から解放されることを示した。そしてこの解放は、波面の法線と外部磁場とのなす角が粒子軌道に沿って変化することによって引き起こされることを解明した。
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