弱電離プラズマ流における電離・再結合過程および電磁加速過程の計算流体力学的研究

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本研究課題は高比推力宇宙用推進装置として開発が進められているMPD(Magneto plasma dynamic)推進装置に関する基礎研究であり、その目的は電極入口近傍のプラズマ状態を精度良く計算することであった。この目的を達成するために、一次元電磁流体コードを作成した。電極入口近傍では、流体(気体)の電離が始まり電極間に電流が流れ始めるので、自己誘起磁場に起因するローレンツ力によって流体は急激に加速され始める。この加速過程を微視的に見ると、電離によって生じた荷電粒子(電子およびイオン)がローレンツ力によってまず加速され、まだ電離していない中性粒子は加速された荷電粒子との衝突によって運動量をもらい加速されることになる。電極入口近傍のプラズマ状態を精度良く計算するためには、この微視的な状況を反映して流体を記述することが必要となるので、二流体(電離気体と中性気体)モデルによる電磁流体コードを作成した。二流体モデルによる電磁流体コードによって計算した結果、電離気体(電子およびイオン)に働く強いローレンツ力のために、電極入口近傍では電離気体のみが急速に加速され中性気体が取り残されるという現象が見つかった。これは、ローレンツ力によって電離気体に与えられた運動量が衝突によって中性気体へ移行する速度が小さいために起こる現象である。電極入口近傍では、中性気体を置き去りにして電離気体のみが急激に加速されるため、見かけ上、電離度の極小値が現れることになる。今後は、作成した電磁流体コードに輻射と高エネルギー電子(マックスウェル分布のテイル部の電子)による非局所的なエネルギー輸送の効果を組み込み、非局所的な電離を計算できるようにする予定である。