数値計算による中性粒子枯渇現象の密度限界・密度振動への影響の解明

中性粒子枯渇現象の基本的な特性を理解するため、空間2次元の数値計算モデルの構築と数値計算コードの高速化を行うことを本年度の目標とした。本流体コードは電子流体について、電子慣性を無視（ドリフト近似）した運動方程式、電子のエネルギー方程式、ポアソン方程式をセルフコンシステントに取り入れている。そのため陽解法の場合、時間ステップはプラズマ周波数と衝突周波数の比で決まる誘電緩和時間（電子の運動が電場をスクリーニングする特徴的なタイムスケール）よりも小さくとる必要がある。特に10^19 m^-3の密度を超えるヘリコンプラズマ生成の数値計算では、誘電緩和時間が光速で決まるCFL条件よりも十分に小さくなる。これまでの先行研究では、電子とイオンの両方の運動方程式をドリフト近似する手法やポアソン方程式を半解法で解く方法が提案されている。しかしながら、中性粒子の運動はイオンの運動によって決まるため、我々の問題の場合には、イオンの慣性項を無視するドリフト近似は適当でない。また、今回我々はポアソン方程式を半解法で解く方法を試したが、密度が10^19 m^-3程度になると数値不安定を引き起こす結果となった。したがって、現状本モデルでは、電子流体については完全な陰解法を用いており、これまでにMPI並列(30cpu数を使用)により約12倍の高速化を実現している。ヘリコン放電が定常状態(~100 μs)になるまでの所要時間はおおよそ30日間である。現在は本モデルを用いて中性粒子枯渇現象の解析を進めている。また、今後の機械学習とGPUを活用したコードの高速化を念頭において、ニューラルネットワークにより流体計算を行う手法も確立した。次年度については、中性粒子枯渇現象の解析を引き続き進め、更なるコードの高速化を図る。

中性粒子枯渇現象の基本的な特性を理解するため、空間2次元の数値計算モデルの構築と数値計算コードの高速化を行うことを本年度の目標とした。本流体コードは電子流体について、電子慣性を無視（ドリフト近似）した運動方程式、電子のエネルギー方程式、ポアソン方程式をセルフコンシステントに取り入れている。そのため陽解法の場合、時間ステップはプラズマ周波数と衝突周波数の比で決まる誘電緩和時間（電子の運動が電場をスクリーニングする特徴的なタイムスケール）よりも小さくとる必要がある。特に10^19 m^-3の密度を超えるヘリコンプラズマ生成の数値計算では、誘電緩和時間が光速で決まるCFL条件よりも十分に小さくなる。これまでの先行研究では、電子とイオンの両方の運動方程式をドリフト近似する手法やポアソン方程式を半解法で解く方法が提案されている。しかしながら、中性粒子の運動はイオンの運動によって決まるため、我々の問題の場合には、イオンの慣性項を無視するドリフト近似は適当でない。また、今回我々はポアソン方程式を半解法で解く方法を試したが、密度が10^19 m^-3程度になると数値不安定を引き起こす結果となった。したがって、現状本モデルでは、電子流体については完全な陰解法を用いており、これまでにMPI並列(30cpu数を使用)により約12倍の高速化を実現している。ヘリコン放電が定常状態(~100 μs)になるまでの所要時間はおおよそ30日間である。現在は本モデルを用いて中性粒子枯渇現象の解析を進めている。また、今後の機械学習とGPUを活用したコードの高速化を念頭において、ニューラルネットワークにより流体計算を行う手法も確立した。次年度については、中性粒子枯渇現象の解析を引き続き進め、更なるコードの高速化を図る。