Elucidation of a Novel Ion Heating Mechanism Utilizing the Characteristics of Whistler Waves and Its Application Development

利用惠斯勒波特性的新型离子加热机制的阐明及其应用开发

• 批准号: 21K03500
• 负责人: 佐野 孝好
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03500/
• 关键词: ホイッスラー波; レーザープラズマ; 磁気圏プラズマ; プラズマ粒子加速; レーザープラズマ相互作用; プラズマ加熱; 波動粒子相互作用; 慣性核融合

本研究では、臨界密度のないホイッスラー波の伝播特性を利用し、新奇なプラズマ加熱機構を提唱している。本年度は、定在ホイッスラー波を媒介した新しい電子加熱に関するプラズマ粒子シミュレーションの実施と、解析的な理論モデルの構築を行った。この現象は、レーザープラズマ実験だけでなく中性子星磁気圏プラズマでも起こりうる共通した物理現象であることがわかっている。特に天体応用に関しては、高速電波バーストと呼ばれる現象への応用が期待されるため、マグネターと呼ばれる強磁場中性子星における物理パラメータでの数値シミュレーションを重点的に行った。その結果、もし中性子星表面で大振幅の電磁波（ホイッスラー波もしくはアルフベン波）が励起された場合、その電磁波が磁気圏を通過できるためのおおよその条件を導き出すことに成功した。電磁波が通過できない場合は、電磁波のエネルギーは電子に吸収される。相対論的速度にまで加速された電子は、すぐさまガンマ線やX線を放出し、輻射のエネルギーに変換される。さらに、その輻射場の中で光子の衝突によって電子・陽電子の対生成が起こりうるため、最終的にはペアプラズマのエネルギーに変換されることが示唆される結果となっている。ただし、現状では磁力線に沿った方向に伝播する電磁波の場合のみを考慮しているため、磁力線に対して角度を持って伝播する場合や、多次元の効果を考慮した場合など、より現実的な状況での極限プラズマ中での大振幅電磁波の伝播特性やエネルギー変換過程に興味を持って研究を展開している。

在这项研究中，我们提出了一种利用没有临界密度的哨声波传播特性的新型等离子体加热机制。今年，我们对哨声驻波介导的新型电子加热进行了等离子体粒子模拟，并构建了解析理论模型。众所周知，这种现象是一种常见的物理现象，不仅发生在激光等离子体实验中，而且也发生在中子星磁层等离子体中。特别是，在天文应用方面，我们专注于使用称为磁星的高磁性中子星的物理参数进行数值模拟，因为它有望应用于称为快速射电爆发的现象。结果，他们成功推导了中子星表面激发大振幅电磁波（惠斯勒波或阿尔文波）时电磁波穿过磁层的近似条件。如果电磁波不能穿过，电磁波的能量就会被电子吸收。加速到相对论速度的电子立即发射伽马射线和 X 射线，这些射线被转化为辐射能。此外，由于光子碰撞可以在辐射场中产生电子和正电子对，因此结果表明能量最终转化为成对的等离子体能量。不过，目前只考虑电磁波沿磁场线方向传播的情况，因此更现实的研究兴趣包括大振幅电磁波的传播特性以及极端等离子体条件下的能量转换过程。

项目成果

Relativistic two-wave resonant acceleration of electrons by colliding large-amplitude Alfven waves

大振幅阿尔文波碰撞导致电子的相对论两波共振加速

• 发表时间: 2022
• 作者: Takayoshi Sano

大振幅アルフベン波衝突によるプラズマ加速と輻射過程

大振幅阿尔文波碰撞引起的等离子体加速和辐射过程

• 发表时间: 2022
• 作者: 佐野孝好; 諌山翔伍; 高橋健太; 松清修一; 杉本馨; 千徳靖彦
• 通讯作者: 千徳靖彦

Acceleration of Relativistic Particles in Counterpropagating Circularly Polarized Alfv?n Waves

反向传播圆偏振 Alfv?n 波中相对论粒子的加速

• DOI: 10.3847/1538-4357/acbb6d
• 发表时间: 2023
• 作者: Isayama S.;Takahashi K.;Matsukiyo S.;Sano T.
• 通讯作者: Sano T.

定在ホイッスラー波による高速イオン加熱と核融合科学への応用

使用哨声驻波的快速离子加热及其在聚变科学中的应用

• 发表时间: 2021
• 作者: 佐野孝好

大振幅アルフベン波衝突によるプラズマ加速と輻射過程

大振幅阿尔文波碰撞引起的等离子体加速和辐射过程

• 发表时间: 2022
• 作者: 佐野孝好; 諌山翔伍; 高橋健太; 松清修一; 杉本馨; 千徳靖彦
• 通讯作者: 千徳靖彦