【研究分野】プラズマ科学

【研究領域課題番号】17H01177 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

プラズマ / 自己組織化 / 磁気圏 / オーロラ / プラズマ物理 / 非線形科学 / 磁気圏プラズマ / 渦 / ホイッスラー / 宇宙・天体プラズマ / 葉層構造 / 物質・エネルギー循環 / 内向き拡散 / トポロジー束縛 / 非ホロノミー系

【研究成果の概要】

磁気圏は自然界において自発的に生成されるプラズマ閉じ込めシステムである．その形成メカニズム，特に磁力線方向の荷電粒子運動の効果に関する実験および理論研究を総合的に進めている．RT-1実験装置は宇宙プラズマに匹敵する（相似則をみたす）磁気圏型プラズマを生成できる．これを用いた実験を中核として，その内部構造を明らかにするための計測・データ解析技術を開発しつつ，プラズマ中の運動・揺らぎの大規模な構造を研究した．
磁気圏の磁場によって磁化された荷電粒子は磁気圏内部へ向かって拡散するが，そのために密度は内側に集中し，拡散が密度勾配を強めるという一見エントロピー法則に反する現象が起こる．このような密度勾配の自己組織化が何故起こるのかは，荷電粒子運動に対するトポロジー束縛によって説明できる．これまでの研究で，磁気圏型プラズマの自己組織化は磁化した粒子に対する磁気モーメントの断熱不変性に起因することを明らかにした．2020年度の研究では，プラズマへのガス入射を行い，それによって引き起こされるプラズマの構造変化について研究した．深層学習を用いたトモグラフィ法をライン比分光イメージング計測に適用し，内向き拡散により自発的に形成されるピークした密度分布を詳細に可視化した．また，高エネルギー電子によってWhistler波の自発励起が起こることを実験的に示した．この成果は，地球磁気圏の衛星観測と連携して粒子・波相互作用の物理を発展させる成果と言える．
理論解析では，様々な物理モデルに現れるトポロジー束縛のキラリティーを数学的に分類する研究を行った．これはLie-Poisson代数の特異点を幾何学的に分類する研究として位置付けられる．ジャイロ運動論コードを用いてイオンおよび電子温度勾配不安定性を解析した，ExB ドリフト運動を含む、非可積分トポロジー束縛を持つ三次元の力学系の統計平衡を導出した．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2022-03-31

【配分額】44,460千円 (直接経費: 34,200千円、間接経費: 10,260千円)

【研究分野】プラズマ科学

【研究領域課題番号】19340170 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

プラズマ物理 / 磁気圏プラズマ / 自己組織化 / 非エルミート性 / 非線形波動 / 異常輸送 / 乱流

【研究成果の概要】

磁気圏型のダイポール磁場に閉じ込められた回転プラズマの中で起こる様々な揺動の安定性・伝播特性について,その強い非一様性,過渡性,非線形性を精密に分析し,それが引き起こす様々な「異常現象」の物理的メカニズムを明らかにした.とくに,電子サイクロトロン加熱(ECH)によって,電子ベータ値>0.7,エネルギー閉じ込め時間>0.1sを達成し,磁気圏型プラズマ閉じ込めが先進核融合の道を開くことを実証した.また,純電子プラズマの閉じ込めでは,閉じ込め時間(プラズマの保持時間)>300sを達成している.これらの研究を通じて,磁気圏磁場配位の中で起こる「内向き拡散」によって「閉じ込めの自己組織化」が起こることが明らかになり,磁気圏型超高βプラズマが先進核融合への道を開くことを示した.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2007 - 2009

【配分額】20,540千円 (直接経費: 15,800千円、間接経費: 4,740千円)

【研究分野】プラズマ理工学

【研究領域課題番号】14102033 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

プラズマ物理 / プラズマ流 / 高ベータプラズマ / 先進核融合 / 非線形現象 / 超音速流 / 衝撃波 / 非中性プラズマ / 超高速流 / プラズマ / 核融合 / 自己組織化 / double Beltrami場 / 高ベータ / フローイングプラズマ / 宇宙プラズマ / ジェット / フローイング・プラズマ

【研究成果の概要】

流れをもつプラズマの自己組織化現象を理論的および実験的に解明し,宇宙空間や天体に見られる高速プラズマ流の基本構造と安定性を明らかにすると同時に,そのプラズマ閉じ込め原理を先進的核融合の概念に応用する可能性について検討した.
1.理論研究の成果
流れをもつプラズマの平衡および安定性は,従来の方法では解析できない難問であり,新しい解析手法を必要とする.本研究では,まず数学的に厳密で一般性をもつ解析方法の開発に力を注ぎ,変分原理やハミルトニアン形式における特異性と<渦>の関係,カシミール不変量を用いたリアプノフ関数の構築,非エルミート作用素のスペクトル理論など新たな技法を構築した.また,それらを具体的な実験体系や宇宙・天体現象に応用する研究を進めた.木星磁気圏における超高ベータ平衡の自己組織化の説明,太陽フレアーのモデル構築など,またProto-RT, RT-1実験装置における分岐平衡解の予測を行った.
2.実験研究および要素技術開発の成果
非中性プラズマは,自己電場によって高速回転することで平衡状態を形成する.本研究では,軸対称トーラス型磁気面配位の中に非中性プラズマを閉じ込めるというProto-RT実験装置の概念を拡張・一般化し,準中性プラズマに径方向電場を与えて極超音速の回転平衡を形成することに成功した.Proto-RTの磁気圏型磁場配位を利用したこの実験によって,非中性プラズマの物理と準中性プラズマの物理を統一的に捉える基礎を築く成果を得ると同時に,上記の理論研究の予測を実験的に検証する目的も達成した.その成果は以下4項目にまとめられる.(1)軸対称トーラス型磁気面配位における非中性プラズマの構造の解明,(2)弱電離準中性プラズマの高速回転平衡形成とその構造の解明,(3)高電離プラズマ中で現れる高速回転流の分岐構造の検証,(4)磁気圏型高速流プラズマ閉じ込めのための要素技術開発.

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2002 - 2006

【配分額】79,040千円 (直接経費: 60,800千円、間接経費: 18,240千円)