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論文

Self-organization of zonal flows and isotropic eddies in toroidal electron temperature gradient driven turbulence

河合 智賀*; 井戸村 泰宏; 小川 雄一*; 山田 弘司*

Physics of Plasmas, 27(8), p.082302_1 - 082302_11, 2020/08

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Physics, Fluids & Plasmas)

弱磁気シアにおける大域的ジャイロ運動論モデルに基づいてトロイダル電子温度勾配駆動(ETG)乱流を調べた。大域的分布効果のために高トロイダルモード数nのトロイダルETGモードは外側の磁気面で励起され、強い線形分散をもたらす。この結果得られる非等方な波-乱流境界とエネルギー逆カスケードが帯状流の自己組織化を生成する。これは大域的ジャイロ運動論モデル特有の機構である。この自己組織化はランダムノイズによって初期化した減衰乱流とトロイダルETG乱流の両方で確認された。また、イオン電子温度比と乱流強度が決める臨界パラメータによってこの自己組織化過程が帯状流と等方的渦を生成することも示した。

論文

Isotope and plasma size scaling in ion temperature gradient driven turbulence

井戸村 泰宏

Physics of Plasmas, 26(12), p.120703_1 - 120703_5, 2019/12

 被引用回数:1 パーセンタイル:100(Physics, Fluids & Plasmas)

本論文では大域的full-fジャイロ運動論シミュレーションを用いてイオン温度勾配駆動(ITG)乱流が支配的な水素(H)および重水素(D)のLモードプラズマにおける水素同位体と規格化ジャイロ半径$$rho^*$$の影響を示す。断熱応答電子を用いたイオン加熱数値実験では、エネルギー閉じ込め時間はBohm的な$$rho^*$$スケーリングで決まり、水素同位体質量依存性は見られない。運動論的電子を用いた電子加熱数値実験は電子からイオンへの衝突性エネルギー移行に対する同位体効果に起因する明確な同位体質量依存性を示し、約1.4倍の加熱パワー比でH, Dプラズマは同様のイオン,電子温度分布を示す。H, Dプラズマの規格化無衝突イオンジャイロ運動論方程式は$$rho^*$$が同じ場合に等価となり、ITG乱流に対する衝突効果も弱い。このため、水素同位体質量依存性は主に$$rho^*$$スケーリングと加熱源によって決まる。

論文

Neoclassical transport benchmark of global full-f gyrokinetic simulation in stellarator configurations

松岡 清吉; 井戸村 泰宏; 佐竹 真介*

Physics of Plasmas, 25(2), p.022510_1 - 022510_10, 2018/02

 被引用回数:6 パーセンタイル:27.77(Physics, Fluids & Plasmas)

プラズマ輸送シミュレーションにおいて、ジャイロ運動論方程式をスケール分離を仮定せずプラズマ全体について第一原理に基づいて解く大域的full-fシミュレーション手法が注目されている。本研究では、複雑な3次元磁場形状をもつステラレータ型プラズマを大域的full-fジャイロ運動論シミュレーションコードであるGT5Dに適用するため、GT5Dの差分計算手法の拡張、及び3次元磁場平衡構築コードVMECとのインターフェースの開発を行った。開発したコード群の妥当性検証を目的として輸送に関する標準的なベンチマーク計算を行った。その結果、GT5Dが局所理論解析モデルや他の大域的新古典輸送コードの結果とよく一致することを示した。

論文

Benchmarking of flux-driven full-F gyrokinetic simulations

朝比 祐一*; Grandgirard, V.*; 井戸村 泰宏; Garbet, X.*; Latu, G.*; Sarazin, Y.*; Dif-Pradalier, G.*; Donnel, P.*; Ehrlacher, C.*

Physics of Plasmas, 24(10), p.102515_1 - 102515_17, 2017/10

AA2017-0418.pdf:4.26MB

 被引用回数:1 パーセンタイル:89.45(Physics, Fluids & Plasmas)

トカマクプラズマにおける熱流駆動型のイオン温度勾配乱流を計算するために2つの大域的full-Fジャイロ運動論コードのベンチマークを行う。この目的のために、full-Fジャイロ運動論方程式を現実的な熱流束固定条件で計算するセミ・ラグランジアンコードGYSELA、および、オイラーコードGT5Dを採用する。時空間特性に注目して雪崩的な輸送現象を評価した。自己組織化臨界現象(SOC)的な振舞いを議論するために統計解析を実施し、両方のコードで高周波側で$$1/f$$スペクトルから$$1/f^3$$スペクトルへの遷移を確認した。このベンチマークに基づき、SOC的な振舞いは数値計算法に依存しないロバーストな特徴であることを検証した。

論文

Global kinetic simulations of neoclassical toroidal viscosity in low-collisional perturbed tokamak plasmas

松岡 清吉; 井戸村 泰宏; 佐竹 真介*

Physics of Plasmas, 24(10), p.102522_1 - 102522_9, 2017/10

 被引用回数:2 パーセンタイル:78.86(Physics, Fluids & Plasmas)

軸対称磁場閉じ込め装置であるトカマク型プラズマにおいて、誤差磁場等に起因する3次元的な非軸対称成分を持つ摂動磁場の効果が閉じ込め性能向上や不安定性制御の観点から注目されている。近年、3次元摂動磁場が駆動する衝突性粘性について、従来より広く用いられてきたバウンス平均理論モデルと大域的運動論シミュレーションの両者で得られた結果が一致しないことが指摘され、その物理機構の解明が課題となっていた。本研究では、二つの異なるモデルに基づいた大域的運動論シミュレーションを用いて詳細な解析を行い、上記の差異が生じる物理機構について検討した。その結果、理論モデルと大域的シミュレーションの不一致が、(1)粒子軌道の効果によって粒子軌道の共鳴構造が失われ、粒子が実効的に感じる摂動磁場強度が弱まること、(2)粒子軌道に沿った位相混合により速度空間構造内に微細構造が生成され輸送量の減衰が起きること、の二つが原因であることを明らかにした。

論文

Toroidal angular momentum balance during rotation changes induced by electron heating modulation in tokamak plasmas

井戸村 泰宏

Physics of Plasmas, 24(8), p.080701_1 - 080701_5, 2017/08

AA2017-0264.pdf:1.52MB

 被引用回数:4 パーセンタイル:58.61(Physics, Fluids & Plasmas)

大域的full-fジャイロ運動論モデルに基づく電子加熱変調数値実験から、電子加熱によるイオン温度勾配駆動(ITG)乱流から捕捉電子モード(TEM)乱流への遷移が密度勾配の急峻化とプラズマ回転の変化をもたらすことを示した。回転変化時のトロイダル角運動量バランスをトロイダル角運動量保存則の直接観測によって明らかにし、イオン系の乱流応力に加え、イオン系の新古典応力、径方向電流、イオン系と電子系のトロイダル電場応力が重要となることを示した。ITGフェーズとTEMフェーズにおけるトロイダルトルクの反転はイオン系方向電流の反転によるものであり、これは粒子輸送と運動量輸送の相互作用であることを明らかにした。イオン系と電子系の径方向電流は両極性条件を満たすようにバランスし、電子系の径方向電流は電子系のトロイダル電場応力によって打ち消される。これは電子系のトロイダル電場応力が間接的にトロイダルトルクに影響していることを示す。

論文

Impact of plasma parameter on self-organization of electron temperature gradient driven turbulence

河合 智賀*; 井戸村 泰宏; 前山 伸也*; 小川 雄一*

Physics of Plasmas, 24(4), p.042303_1 - 042303_13, 2017/04

AA2017-0111.pdf:7.14MB

 被引用回数:1 パーセンタイル:89.45(Physics, Fluids & Plasmas)

ジャイロ運動シミュレーションとHasegawa-Mima (HM)方程式に基づいてスラブ電子温度勾配駆動(ETG)乱流の自己組織化を調べた。自己組織化乱流構造のスケールと異方性は、Rhinesスケールと、HM方程式の断熱応答項によって与えられる特徴的なスケールによって変化する。前者は線形波分散と非線形乱流カスケードの競合によって決定され、後者は乱流カスケードが妨げられるスケールとして与えられる。これらのスケールは、密度勾配、温度勾配、イオンと電子の温度比などのプラズマパラメータによって制御される。プラズマパラメータに依存して、ETG乱流は大きく異なる輸送レベルを与える等方的乱流、もしくは、帯状流のいずれかを示すことがわかった。プラズマパラメータにかかわらず変調不安定性が帯状流を励起するが、最終的な乱流構造は自己組織化過程によって決定される。

論文

Benchmark of the local drift-kinetic models for neoclassical transport simulation in helical plasmas

Huang, B.*; 佐竹 真介*; 菅野 龍太郎*; 洲鎌 英雄*; 松岡 清吉

Physics of Plasmas, 24(2), p.022503_1 - 022503_19, 2017/02

 被引用回数:5 パーセンタイル:50.48(Physics, Fluids & Plasmas)

プラズマ中の衝突性輸送(新古典輸送)を記述するドリフト運動論方程式に関して、近年、ゼロ軌道幅(ZOW)モデルと呼ばれる新たな局所近似近似モデルが提案されている。本研究では、ZOWモデルに基づく新古典輸送評価の妥当性を検証することを目的として、典型的な3つのヘリカル型磁場配位LHD, HSX, W7-Xのプラズマについて、種々の近似モデルを用いた新古典輸送及び平行方向フローのベンチマーク計算を実施した。その結果、ZOWモデルによる新古典輸送は径電場が大きく粒子の$$Etimes B$$ドリフトが大きい時には従来型の近似モデルをほぼ再現することを示した。また、従来型近似モデルを用いた場合には、$$Etimes B$$ドリフトが小さく磁場ドリフトと同程度になった際に生じる非物理的な大きな新古典輸送が生じるが、このような非物理的な輸送の増大がZOWモデルでは生じないことも明らかになった。

論文

Radially local approximation of the drift kinetic equation

洲鎌 英雄*; 松岡 清吉; 佐竹 真介*; 菅野 龍太郎*

Physics of Plasmas, 23(4), p.042502_1 - 042502_11, 2016/04

 被引用回数:3 パーセンタイル:73.33(Physics, Fluids & Plasmas)

ドリフト運動論方程式について、$$rm E times B$$及び磁気面に沿ったドリフトの両者を含む新たな径方向局所近似モデルを構築した。このモデルは保存系で表現されており定常解を得るための追加のソース項を必要としない為、数値計算に適したモデルとなっている。このモデルから得られる解は、準対称性を持つ磁場配位における性質として重要な、衝突性粒子輸送の両極性条件を満たす。また、逆に、両極性条件を故意に破るような近似モデルを考えた場合には、衝突性輸送によるエントロピー生成の正値性及び拡散係数のオンサーガー対称性が得られることを示した。

論文

Evolution of laser induced electromagnetic postsolitons in multi-species plasma

Liu, Y.*; Klimo, O.*; Esirkepov, T. Z.; Bulanov, S. V.; Gu, Y.*; Weber, S.*; Korn, G.*

Physics of Plasmas, 22(11), p.112302_1 - 112302_8, 2015/11

AA2015-0755.pdf:5.0MB

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Physics, Fluids & Plasmas)

Using particle-in-cell computer simulations we have studied the electromagnetic relativistic soliton formation in the underdense multi-species plasmas irradiated by high power laser radiation. It has been shown that in a multi-species plasma the light ion acceleration is quite efficient.

論文

Fast magnetic field annihilation driven by two laser pulses in underdense plasma

Gu, Y. J.*; Klimo, O.*; Kumar, D.*; Bulanov, S. V.; Esirkepov, T. Z.; Weber, S.*; Korn, G.*

Physics of Plasmas, 22(10), p.103113_1 - 103113_9, 2015/10

AA2015-0547.pdf:4.08MB

 被引用回数:5 パーセンタイル:64.92(Physics, Fluids & Plasmas)

The magnetic field generated by the laser pulses annihilates in a current sheet formed between the pulses. Magnetic field energy is converted to an inductive longitudinal electric field, which efficiently accelerates the electrons of the current sheet. This new regime of collision less relativistic magnetic field annihilation with a timescale of tens of femtoseconds can be extended to near-critical and overdense plasma with the ultra-high intensity femtosecond laser pulses.

論文

An Analytic formula for the relativistic incoherent Thomson backscattering spectrum for a drifting bi-Maxwellian plasma

内藤 磨

Physics of Plasmas, 22(8), p.084505_1 - 084505_5, 2015/08

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Physics, Fluids & Plasmas)

散乱ベクトルがドリフト方向と平行な場合の、ドリフトを持つ非等方プラズマに対する相対論的非協同トムソン後方散乱スペクトルの解析式を導出した。散乱スペクトルの形状は散乱ベクトルに垂直方向の電子温度にはあまり依存しないが、その振幅は変化する。このため、測定された温度は散乱ベクトルに平行な電子の分布を正確に表すが、垂直方向の温度が平行方向の温度よりも高い場合には電子密度を過少評価する可能性がある。ドリフトの存在により短波長側の散乱スペクトルは非常に強調されるため、この計測を核融合プラズマの局所的電子電流密度の計測に使える可能性がある。

論文

Magnetohydrodynamic instability excited by interplay between a resistive wall mode and stable ideal magnetohydrodynamic modes in rotating tokamak plasmas

相羽 信行; 廣田 真*

Physics of Plasmas, 22(8), p.082512_1 - 082512_9, 2015/08

 被引用回数:1 パーセンタイル:93.21(Physics, Fluids & Plasmas)

回転トカマクプラズマ中におけるMHD不安定性の励起メカニズムを数値的に発見した。このメカニズムは抵抗性壁モードと安定なMHDモードとの相互作用である。トカマクプラズマが、負磁気シアアルヴェンモードのような安定な固有モードを持つ場合、この安定なモードのドップラーシフト周波数が0に近づいた際にMHD不安定性が励起される。この不安定化は、固有モードがアルヴェン連続スペクトル中にあっても引き起こされることから、高ベータ定常トカマクプラズマを原型炉などで実現する際には、プラズマの回転周波数帯に安定な固有モードが存在しないように安全係数分布を制御することが重要であることが本研究によって明らかにされた。また、この物理メカニズムを分散関係式を用いて解析することで、回転によって不安定モードが抵抗性壁モードから安定なMHDモードに切り替わることを陽に示すことに成功した。

論文

Stochastic regimes in the driven oscillator with a step-like nonlinearity

Bulanov, S. V.; 余語 覚文*; Esirkepov, T. Z.; Koga, J. K.; Bulanov, S. S.*; 近藤 公伯; 神門 正城

Physics of Plasmas, 22(6), p.063108_1 - 063108_11, 2015/06

 被引用回数:7 パーセンタイル:52.67(Physics, Fluids & Plasmas)

A nonlinear oscillator with an abruptly inhomogeneous restoring force driven by an uniform oscillating force exhibits stochastic properties under specific resonance conditions. This behaviorelucidates the elementary mechanism of the electron energization in the strong electromagnetic waveinteraction with thin targets.

論文

Effect of electromagnetic pulse transverse inhomogeneity on ion acceleration by radiation pressure

Lezhnin, K.*; Kamenets, F. F.*; Beskin, V.*; 神門 正城; Esirkepov, T. Z.; Bulanov, S. V.

Physics of Plasmas, 22(3), p.033112_1 - 033112_9, 2015/03

 被引用回数:4 パーセンタイル:72(Physics, Fluids & Plasmas)

The transverse inhomogeneity effect is described analytically within the framework of a thin foil target model and with the particle-in-cell simulations showing that the maximum energy of accelerated ions decreases when the displacement from the axis of the target initial position increases.

論文

Acceleration of highly charged GeV Fe ions from a low-Z substrate by intense femtosecond laser

西内 満美子; 榊 泰直; Esirkepov, T. Z.; 西尾 勝久; Pikuz, T.*; Faenov, A.*; Skobelev, I. Yu.*; Orlandi, R.; 佐甲 博之; Pirozhkov, A. S.; et al.

Physics of Plasmas, 22(3), p.033107_1 - 033107_8, 2015/03

 被引用回数:53 パーセンタイル:1.9(Physics, Fluids & Plasmas)

200TWの超高強度レーザーパルスをミクロンメートルのアルミの薄膜に鉄の不純物を混ぜたターゲットに照射することで、ほぼフルストリップに近い鉄のイオンが0.9GeVで加速された。低エミッタンスで、重いイオンのビームが高いQ/Mで得られることは、いろいろな分野への応用が考えられ、例えば、既存加速器技術との融合によってコンパクトなRIイオン源の開発が考えられる。

論文

On push-forward representations in the standard gyrokinetic model

宮戸 直亮; 矢木 雅敏; Scott, B. D.*

Physics of Plasmas, 22(1), p.012103_1 - 012103_9, 2015/01

 被引用回数:2 パーセンタイル:86.62(Physics, Fluids & Plasmas)

標準ジャイロ運動論モデルでは2つの形式的に異なる流体モーメントの押し出し表現を考えることができる。従来から用いられている表現ではジャイロ中心変換に関係する部分がジャイロ中心分布関数の引き戻し表現として現れる。これはジャイロ中心変換を生成するスカラー関数を含むが、通常、その最低次の解しか用いない。これは分極項を含むスカラー流体モーメントの押し出し表現を具体的に求めるときも同様である。しかしながら、分極ドリフトによる粒子フラックスなど有限ラーマ-半径効果による項を含む粒子フラックスの押し出し表現を導くためには、通常よりも高次の解が必要になる。一方、ジャイロ中心部分と案内中心部分が統合され、分布関数の押し出し表現が出てこないもう一つの表現を用いると、最低次の解で十分である。

論文

Boundary condition for toroidal plasma flow imposed at the separatrix in high confinement JT-60U plasmas with edge localized modes and the physics process in pedestal structure formation

神谷 健作; 本多 充; 浦野 創; 吉田 麻衣子; 鎌田 裕; 伊藤 公孝*; JT-60チーム

Physics of Plasmas, 21(12), p.122517_1 - 122517_8, 2014/12

 被引用回数:13 パーセンタイル:33.25(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60Uトカマク装置において、セパラトリックスを含むプラズマ周辺部における完全電離炭素イオンプラズマのトロイダル流をモジュレーション荷電交換分光(MCXRS)計測器を用いて高精度かつ高空間及び高時間分解能で評価した。ELMy Hモードプラズマのセパラトリックス位置におけるトロイダル回転速度は零では無く外部運動量入射方向依存性が存在するが(co-NBIで-8km/s、ctr-NBIで-19km/s)、ELMによっては大きく影響は受けないことが明らかになった。また観測された有限値の境界トロイダル回転速度はセパラトリックス近傍における高速イオンのリップル損失に起因すると考えられる負の径電場と相関があり、そのシア構造は数100kV/m$$^{2}$$以下の非常に弱い正のシア構造をもつことが分かった。トロイダル回転及び径電場のペデスタル構造構造形成過程の理解の進展についても議論する。

論文

Orbit-based analysis of resonant excitations of Alfv$'e$n waves in tokamaks

Bierwage, A.; 篠原 孝司

Physics of Plasmas, 21(11), p.112116_1 - 112116_21, 2014/11

 被引用回数:14 パーセンタイル:30.47(Physics, Fluids & Plasmas)

The resonant interactions between shear Alfv$'e$n waves and resonant fast ions are analyzed numerically in realistic geometry and with a realistic particle distribution for a JT-60U plasma driven by two 400 keV N-NBs. In order to deal with the large magnetic drifts of the fast ions, a new orbit-based resonance analysis (ORA) method is developed and applied. The ORA method uses mappings that allows us to unify resonance conditions for trapped and passing particles, determine which harmonics are driven, and which orders of the resonance are involved. After analyzing the resonance conditions, the effects of wave-particle trapping, kinetic compression and linear resonance overlap are examined. Finally, we discuss the implications for frequency chirping, convective amplification, the long-time evolution of the system in the presence of a fast ion source, and for the interpretation of experimental observations.

論文

Impact of higher-order flows in the moment equations on Pfirsch-Schl$"u$ter friction coefficients

本多 充

Physics of Plasmas, 21(9), p.092508_1 - 092508_10, 2014/09

 被引用回数:12 パーセンタイル:36.27(Physics, Fluids & Plasmas)

In fusion plasmas, the impact of the higher-order flows in the moment approach of the neoclassical transport theory on an estimate of the friction coefficients is examined multilaterally. Their effects have not been consistently taken into account thus far in the widely used neoclassical transport codes based on the moment equations when diffusivities are calculated in the collision-dominated Pfirsch-Schl$"u$ter regime. Due to the matrix element expressions applicable to arbitrary mass and temperature ratios and the rigorous way of numerically calculating the higher-order flows and the resultant friction coefficients, it is clearly revealed that incorporating the higher-order flow effects precisely is of great importance especially for plasmas including multiple hydrogenic ions and other lighter species with similar masses.

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