龍野 智哉
| 情報・ネットワーク工学専攻 | 教授 |
| Ⅰ類（情報系） | 教授 |
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論文
- Freely decaying turbulence in two-dimensional electrostatic gyrokinetics
T. Tatsuno; G. G. Plunk; M. Barnes; W. Dorland; G. G. Howes; R. Numata
PHYSICS OF PLASMAS, AMER INST PHYSICS, 19巻, 12号, 掲載ページ 122305, 出版日 2012年12月, 査読付, In magnetized plasmas, a turbulent cascade occurs in phase space at scales smaller than the thermal Larmor radius ("sub-Larmor scales") [Tatsuno et al., Phys. Rev. Lett. 103, 015003 (2009)]. When the turbulence is restricted to two spatial dimensions perpendicular to the background magnetic field, two independent cascades may take place simultaneously because of the presence of two collisionless invariants. In the present work, freely decaying turbulence of two-dimensional electrostatic gyrokinetics is investigated by means of phenomenological theory and direct numerical simulations. A dual cascade (forward and inverse cascades) is observed in velocity space as well as in position space, which we diagnose by means of nonlinear transfer functions for the collisionless invariants. We find that the turbulence tends to a time-asymptotic state, dominated by a single scale that grows in time. A theory of this asymptotic state is derived in the form of decay laws. Each case that we study falls into one of three regimes (weakly collisional, marginal, and strongly collisional), determined by a dimensionless number D*, a quantity analogous to the Reynolds number. The marginal state is marked by a critical number D* = D-0 that is preserved in time. Turbulence initialized above this value become increasingly inertial in time, evolving toward larger and larger D*; turbulence initialized below D0 become more and more collisional, decaying to progressively smaller D*. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4769029]
研究論文（学術雑誌）, 英語 - Considering fluctuation energy as a measure of gyrokinetic turbulence
G. G. Plunk; T. Tatsuno; W. Dorland
NEW JOURNAL OF PHYSICS, IOP PUBLISHING LTD, 14巻, 10号, 掲載ページ 103030, 出版日 2012年10月, 査読付, In gyrokinetic theory, there are two quadratic measures of fluctuation energy, left invariant under nonlinear interactions, that constrain turbulence. In a recent work (Plunk and Tatsuno 2011 Phys. Rev. Lett. 106 165003) we reported on the novel consequences that this constraint has for the direction and locality of spectral energy transfer. This paper builds on that previous work. We provide a detailed analysis in support of the results of Plunk and Tatsuno (2011 Phys. Rev. Lett. 106 165003), but significantly broaden the scope and use additional methods to address the problem of energy transfer. The perspective taken here is that the fluctuation energies are not merely formal invariants of an idealized model (two-dimensional gyrokinetics (Plunk et al 2010 J. Fluid Mech. 664 407-35)) but also general measures of gyrokinetic turbulence, i.e. quantities that can be used to predict the behavior of turbulence. Although many questions remain open, this paper collects evidence in favor of this perspective by demonstrating in several contexts that constrained spectral energy transfer governs the dynamics.
研究論文（学術雑誌）, 英語 - Gyrokinetic simulations of the tearing instability
Ryusuke Numata; William Dorland; Gregory G. Howes; Nuno F. Loureiro; Barrett N. Rogers; Tomoya Tatsuno
PHYSICS OF PLASMAS, AMER INST PHYSICS, 18巻, 11号, 掲載ページ 112106, 出版日 2011年11月, 査読付, Linear gyrokinetic simulations covering the collisional-collisionless transitional regime of the tearing instability are performed. It is shown that the growth rate scaling with collisionality agrees well with that predicted by a two-fluid theory for a low plasma beta case in which ion kinetic dynamics are negligible. Electron wave-particle interactions (Landau damping), finite Larmor radius, and other kinetic effects invalidate the fluid theory in the collisionless regime, in which a general non-polytropic equation of state for pressure (temperature) perturbations should be considered. We also vary the ratio of the background ion to electron temperatures and show that the scalings expected from existing calculations can be recovered, but only in the limit of very low beta. (C) 2011 American Institute of Physics. [doi:10.1063/1.3659035]
研究論文（学術雑誌）, 英語 - Gyrokinetic Simulations of Solar Wind Turbulence from Ion to Electron Scales
G. G. Howes; J. M. TenBarge; W. Dorland; E. Quataert; A. A. Schekochihin; R. Numata; T. Tatsuno
PHYSICAL REVIEW LETTERS, AMER PHYSICAL SOC, 107巻, 3号, 掲載ページ 035004, 出版日 2011年07月, 査読付, A three-dimensional, nonlinear gyrokinetic simulation of plasma turbulence resolving scales from the ion to electron gyroradius with a realistic mass ratio is presented, where all damping is provided by resolved physical mechanisms. The resulting energy spectra are quantitatively consistent with a magnetic power spectrum scaling of k(-2.8) as observed in in situ spacecraft measurements of the "dissipation range" of solar wind turbulence. Despite the strongly nonlinear nature of the turbulence, the linear kinetic Alfven wave mode quantitatively describes the polarization of the turbulent fluctuations. The collisional ion heating is measured at subion-Larmor radius scales, which provides evidence of the ion entropy cascade in an electromagnetic turbulence simulation.
研究論文（学術雑誌）, 英語 - Energy Transfer and Dual Cascade in Kinetic Magnetized Plasma Turbulence
G. G. Plunk; T. Tatsuno
PHYSICAL REVIEW LETTERS, AMER PHYSICAL SOC, 106巻, 16号, 掲載ページ 165003, 出版日 2011年04月, 査読付, The question of how nonlinear interactions redistribute the energy of fluctuations across available degrees of freedom is of fundamental importance in the study of turbulence and transport in magnetized weakly collisional plasmas, ranging from space settings to fusion devices. In this Letter, we present a theory for the dual cascade found in such plasmas, which predicts a range of new behavior that distinguishes this cascade from that of neutral fluid turbulence. These phenomena are explained in terms of the constrained nature of spectral transfer in nonlinear gyrokinetics. Accompanying this theory are the first observations of these phenomena, obtained via direct numerical simulations using the gyrokinetic code ASTROGK. The basic mechanisms that are found provide a framework for understanding the turbulent energy transfer that couples scales both locally and nonlocally.
研究論文（学術雑誌）, 英語 - AstroGK: Astrophysical gyrokinetics code
Ryusuke Numata; Gregory G. Howes; Tomoya Tatsuno; Michael Barnes; William Dorland
JOURNAL OF COMPUTATIONAL PHYSICS, ACADEMIC PRESS INC ELSEVIER SCIENCE, 229巻, 24号, 掲載ページ 9347-9372, 出版日 2010年12月, 査読付, The gyrokinetic simulation code AstroGK is developed to study fundamental aspects of kinetic plasmas and for applications mainly to astrophysical problems. AstroGK is an Eulerian slab code that solves the electromagnetic gyrokinetic-Maxwell equations in five-dimensional phase space, and is derived from the existing gyrokinetics code GS2 by removing magnetic geometry effects. Algorithms used in the code are described. The code is benchmarked using linear and nonlinear problems. Serial and parallel performance scalings are also presented. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.
研究論文（学術雑誌）, 英語 - Numerical modeling of Large Plasma Device Alfveacuten wave experiments using AstroGK
Kevin D. Nielson; Gregory G. Howes; Tomoya Tatsuno; Ryusuke Numata; William Dorland
PHYSICS OF PLASMAS, AMER INST PHYSICS, 17巻, 2号, 出版日 2010年02月, 査読付, Collisions between counterpropagating Alfveacuten waves represent the fundamental building block of plasma turbulence, a phenomenon of great importance to a wide variety of fields, from space physics and astrophysics to controlled magnetic fusion. Proposed experiments to study Alfveacuten wave collisions on the Large Plasma Device (LAPD) [W. Gekelman, H. Pfister, Z. Lucky, J. Bamber, D. Leneman, and J. Maggs, Rev. Sci. Instrum. 62, 2875 (1991)] at the University of California, Los Angeles, will benefit significantly from numerical modeling capable of reproducing not only the linear dispersive effects of kinetic and inertial Alfveacuten waves, but also the nonlinear evolution of the Alfveacutenic turbulence. This paper presents a comparison of linear simulation results using the astrophysical gyrokinetics code, AstroGK, to the measured linear properties of kinetic and inertial Alfveacuten waves in the LAPD plasma. Results demonstrate that: (1) finite frequency effects due to the ion cyclotron resonance do not prevent satisfactory modeling of the LAPD plasma using gyrokinetic theory; and (2) an advanced collision operator, recently implemented in AstroGK, enables the code to successfully reproduce the collisionally enhanced damping rates of linear waves measured in recent LAPD experiments. These tests justify the use of AstroGK in the modeling of LAPD Alfveacuten wave experiments and suggest that AstroGK will be a valuable tool in modeling the nonlinear evolution of proposed Alfveacuten wave collision experiments.
研究論文（学術雑誌）, 英語 - Nonlinear Phase Mixing and Phase-Space Cascade of Entropy in Gyrokinetic Plasma Turbulence
T. Tatsuno; W. Dorland; A. A. Schekochihin; G. G. Plunk; M. Barnes; S. C. Cowley; G. G. Howes
PHYSICAL REVIEW LETTERS, AMER PHYSICAL SOC, 103巻, 1号, 掲載ページ 015003, 出版日 2009年07月, 査読付, Electrostatic turbulence in weakly collisional, magnetized plasma can be interpreted as a cascade of entropy in phase space, which is proposed as a universal mechanism for dissipation of energy in magnetized plasma turbulence. When the nonlinear decorrelation time at the scale of the thermal Larmor radius is shorter than the collision time, a broad spectrum of fluctuations at sub-Larmor scales is numerically found in velocity and position space, with theoretically predicted scalings. The results are important because they identify what is probably a universal Kolmogorov-like regime for kinetic turbulence; and because any physical process that produces fluctuations of the gyrophase-independent part of the distribution function may, via the entropy cascade, result in turbulent heating at a rate that increases with the fluctuation amplitude, but is independent of the collision frequency.
研究論文（学術雑誌）, 英語 - Magneto-flow instability in symmetric field profiles
T. Tatsuno; W. Dorland
PHYSICS OF PLASMAS, AMER INST PHYSICS, 13巻, 9号, 掲載ページ 092107, 出版日 2006年09月, 査読付, Since Rayleigh's early work on shear-flow driven instabilities in fluids, it has been known that sheared flows are usually unstable only in the presence of an inflection point in the velocity profile. However, in magnetohydrodynamics, there are important instabilities for which no inflection point is required. In tokamak experiments, strongly sheared flows are associated with transport barriers. Instabilities that may limit the height and extent of transport barriers are of central importance. Here, we present linear and nonlinear simulations of an ideal magnetohydrodynamic instability that is driven by sheared flows without inflection points-instead, the instability mechanism requires reversed magnetic shear. Several symmetric field profiles are studied. In general, the instability leads to current profile modifications that push the local minimum value of the safety factor (q(min)) upward. The possibility of causing disruption in a relatively slow time scale is pointed out when q(min) crosses a rational (especially integral) value. The time scale of the instability is governed by the transit time of the shear flow, which is typically smaller than that of the Alfven velocity. Characteristics of this instability are compared with recent experimental observations. (c) 2006 American Institute of Physics.
研究論文（学術雑誌）, 英語 - Resonance between continuous spectra: Secular behavior of Alfvén waves in a flowing plasma
M. Hirota; T. Tatsuno; Z. Yoshida
Physics of Plasmas, AIP Publishing, 12巻, 1号, 掲載ページ 1-11, 出版日 2005年, 査読付, Conventional normal mode analysis often falls short in predicting a variety of transient phenomena in a non-self-adjoint (non-Hermitian) system. Laplace transform is capable of capturing all possible behavior in general systems. However, degenerate essential spectra require careful analysis. The Alfvén wave in a flowing plasma is an example in which the coalescence of the Alfvén singularities yields nonexponential growth of fluctuations. Invoking hyperfunction theory, rigorous expression of the Laplace transform leads to an accurate estimate of the asymptotic behavior of resonant singular modes. © 2005 American Institute of Physics.
研究論文（学術雑誌）, 英語 - Statistical characterization of the interchange-instability spectrum of a separable ideal-magnetohydrodynamic model system
RL Dewar; T Tatsuno; Z Yoshida; C Nuhrenberg; BF McMillan
PHYSICAL REVIEW E, AMER PHYSICAL SOC, 70巻, 6号, 掲載ページ 066409-066409, 出版日 2004年12月, 査読付, A Suydam-unstable circular cylinder of plasma with periodic boundary conditions in the axial direction is studied within the approximation of linearized ideal magnetohydrodynamics (MHD). The normal mode equations are completely separable, so both the toroidal Fourier harmonic index n and the poloidal index m are good quantum numbers. The full spectrum of eigenvalues in the range 1less than or equal tomless than or equal tom(max) is analyzed quantitatively, using asymptotics for large m, numerics for all m, and graphics for qualitative understanding. The density of eigenvalues scales like m(max)(2) as m(max)-->infinity. Because finite-m corrections scale as 1/m(max)(2), their inclusion is essential in order to obtain the correct statistics for the distribution of eigenvalues. Near the largest growth rate, only a single radial eigenmode contributes to the spectrum, so the eigenvalues there depend only on m and n as in a two-dimensional system. However, unlike the generic separable two-dimensional system, the statistics of the ideal-MHD spectrum departs somewhat from the Poisson distribution, even for arbitrarily large m(max). This departure from Poissonian statistics may be understood qualitatively from the nature of the distribution of rational numbers in the rotational transform profile.
研究論文（学術雑誌）, 英語 - Degenerate continuous spectra producing localized secular instability -- An example in a non-neutral plasma
M Hirota; T Tatsuno; Z Yoshida
J. Plasma Phys., CAMBRIDGE UNIV PRESS, 69巻, 掲載ページ 397-412, 出版日 2003年10月, 査読付, Fluctuations in ambient shear flow exhibit interesting transient phenomena. Shear flow produces not only Kelvin-Helmholtz modes (global exponential instabilities represented by point spectra) but also local algebraic instabilities associated with multiple continuous spectra. Since the generating operator is nonHermitian, the orthogonality of eigenmodes is broken, and unresolvable mode couplings (resonances) bring about secular behavior (algebraic instability). We analyze electrostatic fluctuations in a magnetized non-neutral (single species) plasma where the electrostatic potential parallels the stream function. This secular behavior is reproduced by solving the initial value problem with a renormalizatiou method.
研究論文（学術雑誌）, 英語 - Destabilizing effect of plane Couette flow
T. Tatsuno; Z. Yoshida; S. M. Mahajan
Physics of Plasmas, AIP Publishing, 10巻, 6号, 掲載ページ 2278-2286, 出版日 2003年06月, 査読付, The destabilizing effect of plane Couette flow was discussed. It was found that in the presence of the flow shear, the growth rate of perturbation increased due to the coupling of the Alfve′n wave with a Rayleigh-Taylor instability drive. The analysis showed that at larger shear flow velocities, the stabilizing 'stretching' effect became dominant and the instability was quenched.
研究論文（学術雑誌）, 英語 - Destabilizing effect of shear flow - beyond Kelvin-Helmholtz instability
T Tatsuno; M Hirota; A Ito; S Kondoh; Z Yoshida; SM Mahajan
PLASMA PHYSICS, AMER INST PHYSICS, 669巻, 掲載ページ 666-669, 出版日 2003年, 査読付, A few examples of shear flow destabilization are presented. The destabilization is driven by a different mechanism from Kelvin-Helmholtz instability. One is from the non-Hermiticity of the operator, which shows the secular growth of the field. The other is from the Alfven wave. The Alfven wave may act on the mode to escape from the shear flow stretching, and standing mode is allowed.
研究論文（国際会議プロシーディングス）, 英語 - Kelvin-Helmholtz instability in Beltrami fields
A Ito; Z Yoshida; T Tatsuno; S Ohsaki; SM Mahajan
PHYSICS OF PLASMAS, AMER INST PHYSICS, 9巻, 12号, 掲載ページ 4856-4862, 出版日 2002年12月, 査読付, The stability of Beltrami flows has been analyzed. The model equation represents the coupling of the Kelvin-Helmholtz (KH) instability with Alfven waves. In a single Beltrami flow that parallels a force-free magnetic field, the magnetic field reduces the growth rate of the KH instability, while the marginally stable wave number is unchanged. Calculating the marginally stable eigenfunction of a magnetohydrodynamic flow, the necessary and sufficient condition for the exponential stability has been derived. The stability of double Beltrami flows has also been analyzed, which is represented by linear combinations of two Beltrami flows. Coupling of two vortices yields both stabilizing and destabilizing effects depending on the amplitudes and the eigenvalues of two Beltrami functions. (C) 2002 American Institute of Physics.
研究論文（学術雑誌）, 英語 - Secular behavior of electrostatic Kelvin-Helmholtz (diocotron) modes coupled with plasma oscillations
M Hirota; T Tatsuno; S Kondoh; Z Yoshida
PHYSICS OF PLASMAS, AMER INST PHYSICS, 9巻, 4号, 掲載ページ 1177-1184, 出版日 2002年04月, 査読付, Electrostatic instabilities in electron plasmas have been studied by analyzing initial value problems. The self-electric field of a non-neutral plasma produces a flow that brings about non-Hermitian property into the generating operator. Because of the nonorthogonality of eigenmodes, the evolution of the system is rather complex. Secular behavior is a typical appearance of unresolvable mode couplings that may be cast in a representation of Jordan block. The coupling of the perpendicular (with respect to the magnetic field) electrostatic modes (Kelvin-Helmholtz or diocotron modes) and parallel plasma oscillations causes a more complex phenomena. (C) 2002 American Institute of Physics.
研究論文（学術雑誌）, 英語 - Magnetic shear stabilization of diocotron instability
S Kondoh; T Tatsuno; Z Yoshida
NON-NEUTRAL PLASMA PHYSICS IV, AMER INST PHYSICS, 606巻, 掲載ページ 311-316, 出版日 2002年, 査読付, The diocotron instability in a magnetized non-neutral plasma is a close cousin of the Kelvin-Helmholtz instability. A sheared magnetic field brings about coupling between the diocotron modes and the Langmuir waves that propagate along the magnetic field. Motion of electrons parallel to the magnetic field cancels the electric charge produced by the diocotron modes, resulting in stabilization of the diocotron instability.
研究論文（国際会議プロシーディングス）, 英語 - Stabilization effect of magnetic shear on the diocotron instability
S Kondoh; T Tatsuno; Z Yoshida
PHYSICS OF PLASMAS, AMER INST PHYSICS, 8巻, 6号, 掲載ページ 2635-2640, 出版日 2001年06月, 査読付, The diocotron instability in a magnetized non-neutral plasma is a close cousin of the Kelvin-Helmholtz instability. A sheared magnetic field brings about coupling between the diocotron modes and the Langmuir waves that propagate along the magnetic field. The motion of electrons parallel to the magnetic field cancels the electric charge produced by the diocotron modes, resulting in stabilization of the diocotron instability. (C) 2001 American Institute of Physics.
研究論文（学術雑誌）, 英語 - Transient phenomena and secularity of linear interchange instabilities with shear flows in homogeneous magnetic field plasmas
T Tatsuno; F Volponi; Z Yoshida
PHYSICS OF PLASMAS, AMER INST PHYSICS, 8巻, 2号, 掲載ページ 399-406, 出版日 2001年02月, 査読付, Transient and secular behaviors of interchange fluctuations are analyzed in an ambient shear flow by invoking Kelvin's method of shearing modes. Because of its non-Hermitian property, complex transient phenomena can occur in a shear flow system. The combined effect of shear flow mixing and Alfven wave propagation overcomes the instability driving force at sufficiently large time, and damps all fluctuations of the magnetic flux. On the other hand, electrostatic perturbations can be destabilized for sufficiently strong interchange drive. The time asymptotic behavior in each case is algebraic (nonexponential). (C) 2001 American Institute of Physics.
研究論文（学術雑誌）, 英語 - Shear-flow induced stabilization of kinklike modes
F Volponi; Z Yoshida; T Tatsuno
Phys. Plasmas, AMER INST PHYSICS, 7巻, 6号, 掲載ページ 2314-2319, 出版日 2000年06月, 査読付, The stabilizing effect of a shear flow on a current-driven instability has been studied by means of Kelvin's representation of spatially-inhomogeneous Galilean transform. Even though conspicuous transient growth may occur, the mixing effect of the shear flow overcomes the instability and damps kinklike modes. (C) 2000 American Institute of Physics. [S1070-664X(00)01506-8].
研究論文（学術雑誌）, 英語
MISC
- 位相空間における磁化プラズマの2次元乱流解析
龍野智哉
出版日 2012年09月, 日本物理学会誌, 67巻, 9号, 掲載ページ 614, 640-644, 日本語, 査読付, 記事・総説・解説・論説等（その他） - 磁化プラズマにおける位相空間乱流の並列シミュレーション
龍野 智哉
宇宙空間や実験室に見られる，磁化された完全電離プラズマのダイナミクスを位相空間でシミュレーションする数値コード AstroGK の並列化に関する概要と，近年行われた位相空間乱流に関するシミュレーション結果を概観した．This document summarizes the parallelization scheme of numerical code AstroGK which simulates the dynamics of fully-ionized, magnetized plasmas seen in space and laboratory; and recent simulation results made for phase-space turbulence., 出版日 2012年05月25日, 研究報告ハイパフォーマンスコンピューティング（HPC）, 2012巻, 8号, 掲載ページ 1-4, 日本語, 110009453402, AN10463942
共同研究・競争的資金等の研究課題
- トーラス型非中性プラズマを用いた高速流プラズマの高ベータ平衡と安定性の実験的検証
吉田 善章; 古川 勝; 齋藤 晴彦; 小川 雄一; 森川 惇二; 大崎 秀一; 斎藤 晴彦; 広田 真; 比村 治彦; 龍野 智哉
日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 東京大学, 基盤研究(S), 流れをもつプラズマの自己組織化現象を理論的および実験的に解明し,宇宙空間や天体に見られる高速プラズマ流の基本構造と安定性を明らかにすると同時に,そのプラズマ閉じ込め原理を先進的核融合の概念に応用する可能性について検討した. 1.理論研究の成果 流れをもつプラズマの平衡および安定性は,従来の方法では解析できない難問であり,新しい解析手法を必要とする.本研究では,まず数学的に厳密で一般性をもつ解析方法の開発に力を注ぎ,変分原理やハミルトニアン形式における特異性と<渦>の関係,カシミール不変量を用いたリアプノフ関数の構築,非エルミート作用素のスペクトル理論など新たな技法を構築した.また,それらを具体的な実験体系や宇宙・天体現象に応用する研究を進めた.木星磁気圏における超高ベータ平衡の自己組織化の説明,太陽フレアーのモデル構築など,またProto-RT, RT-1実験装置における分岐平衡解の予測を行った. 2.実験研究および要素技術開発の成果 非中性プラズマは,自己電場によって高速回転することで平衡状態を形成する.本研究では,軸対称トーラス型磁気面配位の中に非中性プラズマを閉じ込めるというProto-RT実験装置の概念を拡張・一般化し,準中性プラズマに径方向電場を与えて極超音速の回転平衡を形成することに成功した.Proto-RTの磁気圏型磁場配位を利用したこの実験によって,非中性プラズマの物理と準中性プラズマの物理を統一的に捉える基礎を築く成果を得ると同時に,上記の理論研究の予測を実験的に検証する目的も達成した.その成果は以下4項目にまとめられる.(1)軸対称トーラス型磁気面配位における非中性プラズマの構造の解明,(2)弱電離準中性プラズマの高速回転平衡形成とその構造の解明,(3)高電離プラズマ中で現れる高速回転流の分岐構造の検証,(4)磁気圏型高速流プラズマ閉じ込めのための要素技術開発., 14102033
研究期間 2002年 - 2006年 - プラズマにおける流れの安定化―不安定化効果の競合
龍野 智哉
日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 東京大学, 若手研究(B), 流れのあるプラズマに関する安定性理論の研究を行った. プラズマ中の平行流のうち,流れによって平衡が不安定化される例としてKelvin-Helmholtz不安定性が良く知られているが,流れそのものが安定であっても,それを付加することによりプラズマ中の潜在的な不安定性が更に不安定化される場合があることを示し,その結果をPhysics of Plasmasに発表した[Destabilizing effect of plane Couette flow, Phys. Plasmas 10,2278(2003)]. Couette流は空間的に線形なプロファイルを持つ流れであり,その空間的な不均一性により,従来まではモードを引き伸ばすことで不安定性を抑制する働きがあると理解されてきた.ところが,我々が今回示した例では,プラズマ中の波(正確にはAlfvenと呼ばれる横波)には流れの引き伸ばし効果に逆らって渦度を運ぶ働きがあり,背景流はそのAlfven波に打ち勝つほど速くない限り引き神ばし効果は弱く,却って元々あった磁力線の曲げによる安定化効果をキャンセルするために不安定性を助長する. 中性流体におけるKelvin-Helmholtz不安定性について,Rayleighの表面波モデルに対するスペクトル構造の詳細な解析を行った.このモデルは区分的に線形なプロファイルの背景流を仮定した簡単なものであるが,我々の構築したスペクトル分解理論により,連続スペクトルと点スペクトルとの間に周波数縮退が存在することが示されている.このモデルに対して,今回の研究では流れのプロファイルが線形からずれた場合,点スペクトルが連続スペクトルに転移することを示した.この転移に伴う時間挙動は,漸近的には大きな変化をもたらすが,ある時間までは線形流の場合とそれほど変わらないと想像される.また非中性プラズマにおけるダイオコトロン不安定性を考えれば,上記の周波数縮退にプラズマ振動がカップリングすることにより代数的な不安定性が生じることを示し,その結果を国際会議International Congress on Industrial and Applied Mathematics(Sydney,2003)において口頭発表した. これらの知見をまとめてレビュー論文を執筆し,プラズマ・核融合学会誌に投稿した(Stabilizing and destabilizing effect of shear flow,プラズマ・核融合学会誌に採録が決定)., 15740323
研究期間 2003年 - 2004年 - 流れのあるプラズマに関する安定性理論の数学的基礎
龍野 智哉
日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 東京大学, 奨励研究(A), 流れのあるプラズマに関する安定性理論の研究を行った. 1887年にKelvinによって発表された解析手法が,線形プロファイルをもつ流れのあるプラズマについて一般解を与えることを数学的に示し,その手法に基づいて磁場閉じ込めプラズマ中の電流駆動不安定性,及び圧力駆動不安定性の解析を行った.流れによって作用素がエルミートでない場合にも,プラズマの線形運動が変形していくモードに分解できることを示した.これらのモードはエルミート作用素に対する指数関数から大きく外れ,過渡的な成長を示すと共に,漸近的には時間について代数的に減衰することを示した.すなわち,流れの効果がプラズマ中に内在する不安定性を安定化させるわけである. また表面波モデルを用いたKelvin-Helmholtz不安定性の解析において,従来見過ごされてきた連続スペクトルと点スペクトルとの非エルミートな相互作用による,共鳴現象が存在することを示し,数学的なスペクトル理論を構築した.非中性プラズマにおけるdiocotron不安定性についても解析を行った.固有値解析では流れによる不安定性が磁気シアーによって安定化されることを示した.初期値問題を数値的に解くと,作用素の非エルミート性から連続スペクトル同士の周波数縮退による共鳴現象が起こり,空間的に局在化する代数的な密度揺動の成長が起こることを示した. 次に,相対論的速度をもつプラズマについて,高周波の波動は1次元縞状のソリトン解をもつ.これは中性流体において有名なKelvin-Helmholtz不安定性に類似した不安定性によって2次元に崩壊するが,その際に角運動量を生成する.この2次元解は非常に安定であり,それらが何らかの理由である距離以上に離れると,その角運動量は保存される.不安定性の非線形発展に関しても数値計算を行い,実際に縞状ソリトンから2次元の渦ソリトンの形成まで,時間発展を追うことによって角運動量の生成が起こることを示した.この研究に関してさらに論文を執筆中である.これは応用上,初期宇宙の角運動量形成に関連がある解として興味深いものである., 12780353
研究期間 2000年 - 2001年 - 大電流プラズマの自己組織化に関わるカイネティック効果
吉田 善章; 龍野 智哉; 比村 治彦; 小川 雄一; 森川 惇二; 二瓶 仁; BRUNCELL P.K; BRZOZOWSKI J; DRAKE J.R.
日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 東京大学, 基盤研究(B), 超高βプラズマ閉じ込めによる先進的な核融合の可能性を探求しようという研究においては,プラズマ自身の,とくに自己場(プラズマ自身の電流によって作られる磁場,あるいは電荷によって作られる電場)のエネルギーが大きな領域での非線形挙動に関する深い知識が必要である.逆転磁場ピンチ(RFP)や極低q配位(ULQ)に代表される大電流プラズマの緩和状態の研究は,まさに自然なプラズマ状態はどのようなものであるかを解明しようとする試みであり,宇宙・天体プラズマをも含む広い視点から多くの成果を生み出している. 本研究では,RFP/ULQ配位の自己組織化を記述するTaylor緩和状態の枠を越えた,さらに一般的な視点から,プラズマの緩和状態を研究し,新たな緩和状態の可能性を示すと同時に,その応用について検討した.その主要な成果は以下のように纏められる. (1)流れをもつプラズマの自己組織化における運動論的な効果:非中性プラズマでは自己電場によって駆動される流れが,新たな緩和状態を自己組織化することを示した.この状態は,2つのTaylor緩和状態の線形結合として表すことができ,パラメータの変化に応じてカタストロフィーを起こす.これは,太陽コロナの加熱やフレアーを説明するモデルとなる. (2)荷電粒子のカオスの効果:プラズマを流体として表す巨視的モデルでは,プラズマ中の代表粒子の運動から平均的な物理量を計算する.しかし,電磁場の空間的非一様性が強いと,粒子の運動は非可積分(カオス)となり,個々の粒子の運動で集団運動の特性を代表することができなくなる.本研究では,粒子運動のカオスによって起こる無衝突エントロピー生産を磁場のヌル点における異常電気抵抗として計測し,理論との比較によって一致を得た.これは,自己組織化のプロセスで重要な「磁気再結合」を説明するモデルとなる. これらの研究成果によって,非中性化プラズマを用いた高速プラズマ流による超高β平衡,カオスの効果を応用する粒子トラップや高性能プラズマ源など,プラズマの非線形効果を応用する新たな技術の可能性が示された., 10044130
研究期間 1998年 - 2000年 - トーラス型トラップによる非中性プラズマの閉じ込め
吉田 善章; 龍野 智哉; 比村 治彦; 小川 雄一; 森川 惇二; 二瓶 仁; 井上 信幸
日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 東京大学, 基盤研究(A), 本研究では,非中性プラズマの新たな閉じ込め方式(トーラス系磁気シヤー配位)を開発し,その平衡,安定性,緩和現象を総合的に研究することによって,非中性プラズマの理論的体系を構築するとともに,高β平衡の形成や,核融合プラズマ物理の基礎実験など新たな応用の可能性を明らかにした. 本方式を,従来から非中性プラズマの研究で使われてきた直線型磁場・電場閉じ込め方式(Penningトラップなど)と比較すると,(1)高エネルギー粒子の閉じ込めが可能である,(2)高密度閉じ込めが可能である,(3)多種粒子の同時閉じ込めが可能である,という特徴をもつ.このトーラス閉じ込め方式の鍵となる原理は,(A)磁気シヤー配位である,(B)粒子運動のカオスを利用した無衝突拡散によって粒子を注入する点にある.これらの特性と原理を活かして,(I)高速回転流系における新たな緩和状態の研究,(II)カオスによる異常拡散・異常抵抗の研究,(III)シヤー流による非エルミートダイナミクスの研究,(IV)静電揺動の磁気シヤーによる安定化の研究を行った. 通常「プラズマ」というと,平均すると電気的に中性の荷電粒子多体系を指す.核融合エネルギーの研究に関連して進歩してきた高温プラズマの物理も,主として中性プラズマを対象としたものである.しかし,プラズマ物理の学理は,電磁力によって相互作用する多粒子系の「集団現象」に係る非線形科学として深化し,一般的な基礎学術へと発展している.なかでも,中性条件を取り除いた「非中性プラズマ」の研究は,プラズマ物理の視界を格段に広げるとともに,さまざまな分野が関連する新領域の創成につながるものと期待される.非中性プラズマでは,中性条件下でいわば縮退していた物理的効果が発現し,新たな特性が見出される可能性がある.その最も重要な効果が「自己場(self-field)」すなわち電気的非中性に起因する総体としての自己電場に起因する流れの発生である.本研究では,自己場による流れをもつプラズマの物理を,重力多体系(銀河)などとも共通の物理的課題としてとらえ,その平衡構造の自己組織化,非エルミート性によって引き起こされる多様な科と現象,運動論的効果などについて新たな知見が得られた., 09308011
研究期間 1997年 - 2000年
