Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

プラズマ / 核融合 / 加速器 / 重水素 / 負イオン源 / 数値シミュレーション / PIC法 / モンテカルロ法 / 負イオン / 同位体効果

本研究では、実機核融合用負イオン源や医療用加速器での重水素負イオン源について同位体効果と呼ばれる、水素放電プラズマの場合と異なる物理特性のメカニズムの解明を図る。特に負イオンと同時に引き出される電子電流の増加については、プラズマ生成領域のプラズマ密度増加が原因である事が実験的に示唆された。しかし、なぜ重水素化することでプラズマ生成領域においてプラズマ密度が増加するのかは分かっていない。そこで電子輸送解析用の大規模な数値シミュレーション（KEIO-MARCコード）と、その支援として水素と重水素の原子・分子衝突過程を考慮した0次元モデルによる解析の両方で研究を進めた。
まずKEIO-MARCコードによる数値シミュレーションでは、重水素化によって変化する物理モデル要素（非解離性イオン化反応、解離性イオン化反応、シースポテンシャル、クーロン衝突、解離性付着反応、振動励起反応、H2電子振動励起反応）を個別に試行した。この結果、特に水素と重水素の振動励起反応での増加率が最も大きく、約7 %の増加となった。物理モデル要素を個別に検証した密度増加率は約11 %であったのに対して、上記の物理モデル要素を全て導入した場合は約13 %の増加となり、密度増加に対して各物理モデル要素の相乗効果が現れた。次に0次元モデルについて、レート方程式に水素と重水素の振動励起状態に関わる相違のみを導入した。この結果、重水素化により密度が約1.7倍増加した。これは振動励起準位を介した水素と重水素のイオン化チャンネルの違いが重水素からのイオン化反応速度係数を増加させることを意味する。
KEIO-MARCコードによる数値シミュレーションおよび0次元モデル共に、重水素化によって密度が増加する事が示された。特に、これまでの検討範囲内では水素分子の振動励起状態の相違が密度増加に対する寄与が大きいことが分かった。

プラズマ / 粒子加速 / 衝撃波 / プラズマ波動 / 宇宙線 / 数値シミュレーション

宇宙空間の無衝突衝撃波における電子加速の効率について，理論，観測データ解析，数値シミュレーションの３つの異なるアプローチを全て組み合わせて調べた．新たに非相対論的電子の加速理論モデルを構築し，地球前面の弓状衝撃波の人工衛星観測データを用いて検証した．また，第一原理数値シミュレーションによって衝撃波の非定常性の効果や，幅広い応用を目指したパラメータ依存性についても調査を行った．これらの結果を総合すると，本研究で提唱した電子加速機構は衝撃波電子加速における最大の困難である電子注入問題の解決策として，現時点で最も有力なモデルと考えられる．

高エネルギー粒子の加速は宇宙において普遍的に見られる現象であり，一部の粒子のみが熱的エネルギーよりも遥かに高いエネルギーまで加速されることが知られている．熱平衡状態から大きく逸脱した粒子を生成する機構として，最も有力視されているのが衝撃波における粒子加速機構である．本研究によって衝撃波粒子加速における最大の困難であった電子注入問題の解決に向けて大きな一歩を踏み出すことができた

プラズマ / 相対論 / 数値シミュレーション / 相対論的プラズマ

相対論的プラズマダイナミクスを記述する数値シミュレーションモデルとして，現在は相対論的磁気流体(MHD)方程式が標準的に用いられている．本研究ではその拡張として電子・イオンを別個の流体として扱う相対論的2流体モデルの開発を行った．具体的には，数値シミュレーションコードを開発・テスト問題へ適用，また相対論的MHD方程式の結果との比較を通して，相対論的MHD方程式の代替モデルとしての可能性を詳細に検討した．その結果，本モデルは相対論的MHDには無い長所を備えていることが分かり，今後の更なる発展が期待される．

【研究分担者】
畑山明聖	慶應義塾大学	理工学部(矢上)	名誉教授	(Kakenデータベース)
星野一生	慶應義塾大学	理工学部(矢上)	准教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
松清修一	九州大学	総合理工学研究院	准教授	(Kakenデータベース)