非中性プラズマを用いた多粒子系緩和過程に関する実験的研究

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なだらかなガウス分布状の径方向密度分布を持つ純電子プラズマに,外部から回転する電場を与えるとクーロン衝突緩和時間より充分長い時間スケールで密度分布の収縮が観測される.この現象を波動と粒子の相互作用によって引き起こされる輸送過程として捉え,プラズマの本質に関わる輸送に対する波動の効果を非中性プラズマを用いて定量的に明らかにした.主たる成果は以下のように纏められる.(1)波の回転方向がプラズマの自己電場による回転方向と一致する場合に密度分布は収縮し,逆向きだと平坦な分布となり,その外縁が急速に拡大する.分布が圧縮された軸上の密度は強磁場では300倍に達した.(2)導体壁に誘起される鏡像電荷の測定により,プラズマ内で結合するモードの分散関係を検討した.波動励起位置から下流側で見ると波の振幅の減衰は密度分布の圧縮と強く対応している.プラズマ内部における波動のグローバルな分布と軸方向波数を決定した.この手法によって求めた分散関係は,確かにプラズマ波が励起され,そのランダウ減衰が分布の径方向圧縮と対応することを示している.(3)上記の過程を記述する理論モデルの構築を行った.ランダウ減衰により吸収された波動のエネルギーは,荷電粒子系の軸方向運動エネルギーと径方向輸送に伴うポテンシャルエネルギーに収支勘定が合う形で変換される.(4)実験で得られた径方向の粒子輸送率はこのモデルの予測とファクター3以内でよく一致する.螺旋状に伝搬する波はプラズマ断面内では固有関数の重ね合わせで表されるグローバルな分布を保ちながら,軸方向には共鳴粒子との相互作用でエネルギーを失う.その一方で周方向の電場によるExBドリフトも共鳴的な径方向輸送を引き起こして,密度分布の収縮が誘導されることを明らかにした.上記の成果を,非中性プラズマ国際ワークショップ2006(NNP2006),プラズマ・核融合学会第23回年会において発表した.