プラズマ未知の構造
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プラズマ未知の構造. プラズマとは. 先端エネ. 実験棟 1 階 1E1. 吉田・比村・小川研究室. 固体・液体・気体を超えた第 4 の物質。.

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Presentation Transcript

プラズマ未知の構造

プラズマとは

先端エネ

実験棟

1階 1E1

吉田・比村・小川研究室

固体・液体・気体を超えた第4の物質。

プラズマは,未知の構造と現象の宝庫です.太陽で起こる激しい爆発現象(フレアー),それに呼応するオーロラ,銀河の美しい渦巻き模様の形成などがプラズマ物理のテーマです.これらはいずれも線形理論ではあつかえない〈非線形現象〉です.プラズマ物理は〈集団現象〉をあつかう科学です.すなわち,分割された要素の理想化された運動に還元することができない現象を理解することが課題です.これは,物質世界にとどまらず,生態系や社会の科学にも通じる根本的な研究テーマです.私たちは,理論と実験の両面から,プラズマの非線形科学,集団現象の科学を研究しています.

 私たちが,プラズマの多様な構造を,まず自然から学ぼうとしているのは,究極のエネルギーをもたらす〈核融合プラズマ〉や,物質の根源に迫る〈反物質プラズマ〉を私たちの手で作り出すヒントを求めているからです.プラズマの混沌とした流れの中から,極めて興味深い構造が生み出されるメカニズムに注目しています.

物質が超高温・高エネルギーの状態になると、原子・分子が電離して,原子核(イオン)と電子がバラバラの集団(プラズマ)となる。

宇宙・天体の物質は,ほとんどがプラズマである。

研究の目的

流れをもつプラズマの物理を探る(理論・実験)

Proto-RT

天体・宇宙にあるプラズマの構造を解明する基礎的な物理研究を通じて,新たなプラズマの状態を実験室系に再現し,これを先進的な核融合や高エネルギー物質科学に応用する。

ブラックホールの近くにも超高速流プラズマ

木星磁気圏の超高速流プラズマ

Proto-RTの研究テーマの第1は,非中性プラズマの生成・閉じ込めです.トーラス型の磁場閉じ込めトラップとしては,世界で始めて長時間安定閉じ込めを実証しています.これは,高エネルギー粒子や多種粒子のトラップとして,原子・分子物理学や反物質物理学に応用できる可能性があります.

さらに,中性プラズマに電子を入射したり,内部導体に電位をかけたりして高速プラズマ流を生成する実験をおこなっています.これまでにイオン音速をはるかに越える高速流を安定に形成する実験に成功しており,次期装置である RT-1実験装置で計画している研究の基礎データを出しています.

宇宙・天体プラズマで発見される「超高ベータプラズマ」の構造を解明し,これを地上で再現することによって〈先進的核融合〉を目指すのがRT-1プロジェクトです.

宇宙・天体のプラズマは,中心となる天体から広がる磁場(ダイポール磁場)によって閉じ込められた構造をもつのが普通です.とくに興味深いのは木星の磁気圏に「超高ベータプラズマ」(すなわち,小さな磁場で高い圧力のプラズマが閉じ込められていること)が発見されたことです.実験室系でも,真空中にリング状のコイル(内部導体)を設置し,これに通電することでダイポール磁場を生成できます.この磁場中でプラズマを生成すれば,宇宙に浮かぶ天体とプラズマに似た体系を作ることができます.私たちの実験室では,超伝導コイルで作った内部導体を磁気浮上させることで,まさに宇宙に浮かぶプラズマの塊を生成し,そのプラズマの流れが生み出す様々な構造や現象を研究しています.

私たちは,最初にProto-RT実験装置を建設し,非中性プラズマの磁気面配位閉じ込め研究をスタートさせました(1996年).これは,常伝導コイル(フロン冷却)をロッドで支えた装置です.現在は,東京大学・高温プラズマ研究センターと核融合科学研究所・超伝導・低温グループが中心となって高温超伝導コイルを用いた磁気浮上の内部導体装置を開発しています.

実験装置(RT-1)の概要

プラズマは,1000万度を超える超高温状態で生成される極めて高エネルギー状態の物質であるから,特別な実験設備が必要である。

 本装置は,超高速プラズマ流を発生させるという,新しい独自の概念を採用して設計されたものである。

実験室系でおこなわれるプラズマ内部の精密な研究によって,核融合,宇宙,天体物理の基礎が築かれる。

超高速流プラズマ実験設備主要部


プラズマ未知の構造

流れをもつプラズマの数値シミュレーション

初期状態

緩和状態

プラズマはヘリシティー(ねじれ)を保存して緩和する

⇒ 自己組織化

MHDの緩和過程

Hall(2流体)MHDの緩和過程

先端エネ

実験棟

1階 1E1

吉田・比村・小川研究室

様々な構造を作り出すプラズマの集団現象のなかでも特に興味深いのは〈自己組織化(self-organization)〉と呼ばれる現象です.多数の粒子が相互作用する系は,一見複雑でランダムであると思われますが,そこに自発的に秩序が生まれることがあります.「構造」が,自然発生するプロセスです.自己組織化とは,一定の自由度が「構造を形成し保持するもの」としてランダムの相から分離することだともいえます.数学的には,秩序化する自由度を運動の〈保存則〉と関係付けて理解することが目標となります.具体的な例として,太陽コロナの渦構造は,磁気ヘリシティー(磁力線のねじれ)というトポロジー理論の保存量によって形成されると理解されます.フローイングプラズマでは,さらに多様な構造が生み出されると考えています.

太陽は巨大なプラズマの塊であり,核融合によってエネルギーを生産している.(太陽観測衛星「ようこう」の軟X線カメラによってとらえた太陽の表面)

MHDとHall(2流体)MHDの自己組織化

プラズマに限らず,一般の渦ダイナミックス系で, Beltrami/Bernoulli平衡という概念を導入して自己組織化現象について研究しています.

Beltrami条件とは,渦と流れが平行になることをいい,Bernoulli 条件とは(普通の意味からは拡張していますが)エネルギー密度が空間的に一様になることをいいます.両条件は,渦ダイナミックスの平衡状態ではいつも同時に成立し,緩和した状態を表わすと考えられます.

Beltrami/Bernoulli条件を満たす渦・流れ場は,いろいろな渦ダイナミックスで自己組織化されます.例えば,逆転磁場ピンチ(RFP)や極低q(ULQ)などでできる常磁性磁場平衡はTaylor relaxed stateと呼ばれますが,これはMHD系の Beltrami/Bernoulli平衡です.

私たちは,2流体プラズマ(Hall MHD)のBeltrami/Bernoulli平衡に注目しています.MHD系に2流体効果(Hall効果)を加えると,電子流体とイオン流体それぞれに Beltrami/Bernoulli条件を与えることができ,この場合の平衡は2つの異なる Taylor relaxed stateを重ね合わせた2重Beltrami場(Double Beltrami field)になることが示せます.この線形結合で張られる状態空間は,Taylorの常磁性から完全反磁性(Meissner効果)までの極めて広範な状態を含むことがわかってきました.反磁性は高ベータ平衡を与えるので魅力的です.しかし,2流体効果(Hall効果)は通常の状態では小さな項で表わされる「特異摂動」です.これを発現させるためには,プラズマの流れを駆動する必要があります.流れを駆動することは,プラズマを非中性化することと等価です.したがって,非中性化されたプラズマでは,反磁性の平衡を自己組織化によって生み出すことができると考えられます.

特異摂動であるHall効果によって小さな構造が形成される.


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