磁束管合体を用いた粒子運動論的プラズマ構造形成の解明

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2つのプラズマ配位を軸方向に移送し，衝突合体することでより高性能な配位へと生成緩和させるプラズマ合体法の運動論効果を含んだ数値シミュレーションを行うため，本研究では円筒座標系Particle-In-Cellコードを新規開発し，大規模計算を行った．昨年度に開発した適合粒子細分化Particle-In-Cellコードに加えて，HPCにおける高効率の計算実行のため，電磁場・粒子共に領域分割法によるプロセス並列化を導入した．さらに並列化効率向上のため，系の発展に従い動的に分割領域を決定する動的領域分割を開発したコードに追加実装した．コード開発により，Particle-In-Cellによるスフェロマック合体の現実的な数値計算が可能となり，運動論効果が重要となる合体時の磁気リコネクション現象が引きおこす磁場・粒子のエネルギー変換効果を検証した．スフェロマック合体では初期配位が有するトロイダル磁場の極性と二流体効果によって流速構造に非対称性が発現することが知られていたが，本研究ではイオン温度や静電ポテンシャルにも非対称性を生じさせることを明らかにした．イオンが得るエネルギーが径方向内外で異なることを示した一方で，イオンの粒子・エネルギー流束からエネルギー総量には極性効果は影響を及ぼさない．円筒座標系による体積要素の差異が影響するため，比較的低いエネルギーをもつイオンを多数生成するモードと，比較的高いエネルギーをもつイオンを少数生成するモードが極性効果によって選択し得ることを示した．また，エネルギー変換の計算から，電子は散逸領域内部で誘導電場によって主にエネルギーを獲得し，散逸領域端部において静電場によりエネルギーを失う．電子散逸領域端部付近にイオンを加速する静電位が形成されることから，静電場を介した電子・イオン間のエネルギー授受を示唆している．