電子ビ-ム・プラズマ系における不安定波動と非線形構造に関する研究

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高周波モ-ドの非線形構造については、Zakharovによる研究以来、多くの研究が行なわれている。しかし、ビ-ムが存在するような線形不安定な系の波の非線形構造の研究は、極めて少ない。我々は、不安定系として、1次元の電子ビ-ム・プラズマ不安定系を取り上げ、波動が、線形的に成長し、発展しながら非線形の時空構造を形成する過程に焦点をしぼって実験・数値理論研究を行なった。以下に、主な研究結果を報告する。(1)多磁極型プラズマ装置で低圧放電(Ar圧力〜10^<ー5>Torr)によりプラズマを生成し、入射電子ビ-ムの中性ガスに対する電離の平均自由行程を装置の長さの100倍程度にし、理想的な電子ビ-ム・プラズマ系を作った。(2)山際らは、不安定な波動がビ-ムに沿って成長して、自己変調により非線形な波束列に発展することを、実時間的測定法により観測した。この不安定モ-ドの周波数スペクトルの分布と分散関係から観測した波が電子ビ-ム不安定波であることを確かめた。なお、波束列はカオス的な様相を示している。(3)入射電子ビ-ムを発振器(本研究費で購入)からの高周波信号で変調して、単色のテスト波を励起し、ビ-ムの走行路に沿って波が線形的に成長、発展して、非線形的に飽和する過程を干渉法を使って観測した。これにより、波動の包絡の空間的な様相が、線形成長率に依存した特徴的な構造式で表現できることを発見した。(4)田中は、数値計算を行い、電子ビ-ム波のように分散性の少ない波動でも、非分散性不安定波動の発展と非線形飽和の競合により、局所時空構造を形成し得ることを発見した。この計算結果は、実験事実と符号する。一般に知られている非線形性と分散性がバランスして安定なソリトンを形成する場合と異なるところである。以上の結果は、近々、欧文雑誌に発表する予定である。