Study of ion acceleration by hybrid particle-Vlasov simulation

点击翻译按钮获取中文摘要

本研究は、宇宙プラズマにおける高エネルギーイオン加速問題に取り組むために、質量が軽く熱い電子の速度分布は連続体として、重くて冷たいイオンは粒子として扱い、大規模第一原理プラズマシミュレーションを実現する新しい数値計算手法を開発する。そして太陽地球圏のイオン加速現場である無衝突衝撃波や磁気リコネクションを想定した数値計算を実行して、これらの現象におけるイオン加速機構を明らかにすることが目的である。令和四年度は、これまで開発してきた数値計算コードに関する論文の執筆、本計算コード特有の技術的課題に対する解決手法の開発、及びプロダクトランを行った。本計算コードで扱っている電子速度分布関数を連続体として解くブラソフコードでは、強い粒子加速や加熱が起きると、粒子が有限速度空間から失われて、質量・エネルギー保存に悪影響を及ぼすことがある。この問題を解決する直接的な手法は速度空間を広げることだが、単純に広げるだけでは計算規模がその3乗で増えてしまうため極めて非効率的である。そこで、広い速度空間を確保しつつ計算コストを抑える手法を開発し、問題が改善されることを確認した。この手法を実装した二次元ブラソフシミュレーションコードを新たに開発し、磁気リコネクションの数値実験を実施した。この計算では特に衝突の有無がリコネクションの非線形発展に及ぼす影響を調べた。衝突が無い場合は、電流層で加速された粒子の非等方圧力が強いリコネクション電場を支えている一方で、衝突がある場合は、流体の慣性力が同程度のリコネクション電場を維持することが示唆された。計算結果を引き続き解析中である。