広周波数帯波動が関与する高速粒子不安定性の非線形開放系シミュレーション研究

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磁場に垂直方向の速度空間でリング状の分布を持つ高速イオンは、核融合プラズマでは、プラズマ加熱用の高速中性粒子入射によって、宇宙プラズマでは無衝突衝撃波や磁気再結合による粒子加速によって生成される。そのようなリング状の高速イオンが引き起こす不安定性という、核融合と宇宙のプラズマに共通する物理を切り出し、イオンサイクロトロン周波数から電子サイクロトロン周波数に及ぶ広い周波数帯の波動が関与する非線形発展を、電磁粒子シミュレーションを用いて研究している。高速イオンのリング速度がアルヴェン速度より小さい場合、イオンと電子のサイクロトロン周波数の間の周波数を持つ、低域混成波が不安定となることが線形理論により予測されている。これまでの研究で、高速イオンを注入し続けることにより、低域混成波が減衰せずに振幅を維持することが明らかになっている。今年度は、核融合プラズマと地球磁気圏プラズマの両方で、低域混成波の高調波が観測されていることに注目してシミュレーション解析を行った。まず、低域混成波高調波が観測されている地球磁気圏極域上空の物理量に近いパラメータ値を使って、リング状の高速イオンを注入し続けるシミュレーションを行った。その結果、低域混成波の高調波構造を再現することに成功するとともに、高調波が数多く励起されるとイオンがより強く加速されることを示した。この結果は、地球極域からのイオンの大量流出という、長年の未解決問題の解決に向けた新たな可能性を示すものであり、本成果をまとめた論文を発表した。さらに、高調波の非線形励起機構について詳細な解析を行い、その結果をまとめた論文を投稿した。また、宇宙と核融合のプラズマでは、高速イオンの種類は様々なものがあり得ることから、低域混成波不安定性の非線形発展における高速イオンの質量依存性についても研究を開始した。