多種イオンプラズマ中の不安定性と輸送についての多次元電磁粒子シミュレーション

多离子等离子体中不稳定性和输运的多维电磁粒子模拟

基本信息

批准号：
15740325
负责人：
樋田美栄子
金额：
$ 2.18万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2003
资助国家：
日本
起止时间：
2003 至 2005
项目状态：
已结题

项目摘要

本課題では、多種のイオンが含むプラズマ中の不安定性、波動伝播、輸送等について、理論と粒子シミュレーションを用いて研究している。これまで、電流不安定性の非線形発展と少数イオン種の選択的加速、イオンバーンスタイン波の減衰などについて、成果をあげてきた。また、3次元の相対論的電磁粒子コードの開発とその高速化にも取り組んでいる。今年度は、理論解析と電磁粒子コードを用いて、低周波電磁揺動の伝播を詳しく調べ、多種イオンの存在によってエネルギー散逸が大いに促進されることを示した。まず、熱平衡プラズマ中を、磁場に対して直角方向に伝播する低周波電磁揺動のスペクトルについて理論式を導出した。多種イオンプラズマには、磁気音波モード、イオンサイクロトロンモード、重イオンのカットオフモード(重イオンのサイクロトロン周波数より少し高い周波数を持つ)の3種類のモードが存在する。重イオンのカットオフモードが、磁気音波モードに匹敵するほど振幅を持ち、電磁揺動の減衰をもたらす場合があることを見出した。次に、初期値として正弦波型の擾乱を磁場に設定し、その後の発展を電磁粒子コードを用いて調べた。1種イオンプラズマでは、擾乱は減衰しない。しかし多種イオンプラズマでは、磁気音波モードと重イオンのカットオフモードの位相混合により擾乱は初期減衰する。さらにその後も擾乱は再帰することはなく、非線形モードカップリングによって、徐々に減衰する。そして、この非線形発展の結果、多種イオンプラズマではイオンの運動エネルギーが非可逆的に増大することがわかった。

在这个项目中，我们利用理论和粒子模拟来研究含有各种离子的等离子体中的不稳定性、波传播、输运等。到目前为止，我们已经在电流不稳定性的非线性演化、少数离子物种的选择性加速以及离子伯恩斯坦波的衰减等方面取得了成果。我们还致力于开发三维相对论电磁粒子代码并提高其速度。今年，我们利用理论分析和电磁粒子代码详细研究了低频电磁涨落的传播，结果表明各种离子的存在极大地促进了能量耗散。首先，我们推导了热平衡等离子体中垂直于磁场传播的低频电磁波动频谱的理论公式。多离子等离子体有磁声模式、离子回旋模式、重离子截止模式（频率略高于重离子回旋频率）三种模式。我们发现重离子截止模式的振幅与磁声模式相当，可以导致电磁振荡的衰减。接下来，我们将磁场中的正弦扰动设置为初始值，并使用电磁粒子代码研究其后续演化。在 1 型离子等离子体中，扰动不会减弱。然而，在多离子等离子体中，由于磁声模式和重离子截止模式的相位混合，扰动最初被衰减。此外，此后扰动不会再次返回，而是由于非线性模式耦合而逐渐衰减。由于这种非线性演化，人们发现多离子等离子体中离子的动能不可逆地增加。