宇宙飛翔体アンテナと周辺プラズマとの相互作用に関する3次元計算機実験

本研究では、宇宙飛翔体上のアンテナ、それによる電波放射、観測、およびアンテナ周辺プラズマの相互関係を3次元電波粒子コードを用いた計算機実験で定量解析することが目的である。本研究の定量的解析により、実際の宇宙プラズマ空間での電波利用および観測の際に非常に有益になる工学的及び理学的な知見を得ることができる。本年度は、アンテナ周辺のプラズマシース構造をより細かく解析するためにKEMPOにFDTD法で用いられているサブグリッド法を導入することを試みた。サブグリッド法とは微細なグリッド空間を粗いグリッド空間の一部に設け、局所的に高分解に物理を解き進める手法である。これまで、電磁波を解き進めるFDTD法では用いられてきたが、本手法をプラズマ粒子モデルに応用することを試みた。問題点は、違うグリッドシステムを通過する際の粒子にかかる電磁力の補正法であるが、少なくとも1次元モデルではその解決法を提案することができた。また、一方で、アンテナに高周波の電圧をかけた場合における近傍プラズマシースのダイナミクスを解析した。これまで理論的には電界強度の空間変化によって生じるポンデラモーティブ力によりアンテナ近傍プラズマの非線型応答が予測されていたが、本計算機シミュレーションにより、その基本的な物理を再現することができた。また、アンテナシースを伝搬するシース波動の基礎的な解析も行った。今後、これらの基礎的な研究をもとに、プラズマ中のアンテナ特性をプラズマ運動論を考慮したモデルを用いて解析を行う。計算機実験のグラフィック解析及び講演発表のため、本設備備品費でラップトップコンピュータを購入した。

本研究では、宇宙飛翔体上のアンテナ、それによる電波放射、観測、およびアンテナ周辺プラズマの相互関係を3次元電波粒子コードを用いた計算機実験で定量解析することが目的である。本研究の定量的解析により、実際の宇宙プラズマ空間での電波利用および観測の際に非常に有益になる工学的及び理学的な知見を得ることができる。本年度は、アンテナ周辺のプラズマシース構造をより細かく解析するためにKEMPOにFDTD法で用いられているサブグリッド法を導入することを試みた。サブグリッド法とは微細なグリッド空間を粗いグリッド空間の一部に設け、局所的に高分解に物理を解き進める手法である。これまで、電磁波を解き進めるFDTD法では用いられてきたが、本手法をプラズマ粒子モデルに応用することを試みた。問題点は、違うグリッドシステムを通過する際の粒子にかかる電磁力の補正法であるが、少なくとも1次元モデルではその解決法を提案することができた。また、一方で、アンテナに高周波の電圧をかけた場合における近傍プラズマシースのダイナミクスを解析した。これまで理論的には電界強度の空間変化によって生じるポンデラモーティブ力によりアンテナ近傍プラズマの非線型応答が予測されていたが、本計算機シミュレーションにより、その基本的な物理を再現することができた。また、アンテナシースを伝搬するシース波動の基礎的な解析も行った。今後、これらの基礎的な研究をもとに、プラズマ中のアンテナ特性をプラズマ運動論を考慮したモデルを用いて解析を行う。計算機実験のグラフィック解析及び講演発表のため、本設備備品費でラップトップコンピュータを購入した。