非線形Full wave計算法による雷上空大気発光現象の解析

大規模な雷雲-地上間の雷放電に伴い観測される下部電離層(高度85〜105km)中の発光現象「elves」は、雷放電電流から放射されるVLF(数kHz〜数十kHz)帯の大振幅電磁波が下部電離層中で窒素分子を励起することにより発生すると考えられている。本研究では、Full wave計算法を用いてVLF電磁波パルスの下部電離層における伝搬を厳密に計算することで、elvesの発生機構を明らかにすることを目的とする。本来Full wave計算法は線形計算であるため、大振幅電磁波パルスによる下部電離層の電子加熱と、それによる電子密度及び衝突周波数の時間変化を扱うことができなかった。本研究では、これら電離層パラメータの時間変化の様子を定量的に評価し、結果として生じる電磁波パルス自身の減衰を近似的にFull wave計算に含める手法を開発した。それにより、高度85〜105kmで数百μsのうちに直径数百kmにわたってリング状に広がっていくelvesの時間空間発展を計算することに成功した。また、1回のFull wave計算に際しては数億回以上の平面波の電離層伝搬計算が必要となるが、各計算が独立しているため並列計算が可能である。従来は40台程度のワークステーションを用いて並列計算を行っていたが、本研究では、高速CPU搭載の10台のPCにより構成される並列計算システムを構築して従来よりも高速に計算を実行することに成功した。様々なパラメータで計算を行った結果、雷放電から放射されたVLF電磁波が地球磁場に沿ってホイスラモード波で伝搬することにより、elvesのリング構造に南北及び東西の非対称性が生じることを明らかにした。また、電磁波パルス(雷放電電流)の強度に対するelvesの発光の様子の違い等を検討した。We have investigated the generation mechanism of "elves," the expanding optical rings created 85-95 km above lightning flashes. Elves are believed to be generated through the excitation of the first positive band of nitrogen molecule, which is stimulated by the electron heating due to the lightning-generated intense electromagnetic pulses (EMPs) illuminating the lower ionosphere. By using a full-wave analysis, we have computed rigorously the propagation in a magnetized ionosphere of the EMPs radiated by lightning current strokes. When incident into the lower ionosphere, an intense EMP heats the electrons and then enhances the collision frequency there, causing the absorption of the EMP energy. Though the full wave analysis cannot treat such a nonlinear temporal change of ionospheric parameters, we have approximately incorporated this effect into the calculation by modifying the up-going EMP in the ionosphere. Making use of a newly developed parallel-computation system with 10 PCs, we have computed the temporal and spatial evolution of elves. Computed results have shown that an optical ring is created at the altitudes of 85-100 km above the lightning, quickly expanding horizontally over 200 km within < 1 ms, which is consistent with the actual observations of elves. It has also been found that because of the EMP propagation in the whistler mode along the Earth\u27s magnetic field line above 90 km, there appears appreciable north-south and east-west asymmetry in the elves ring structures.研究課題/領域番号:13640447, 研究期間(年度):2001-2002出典：「非線形Full wave計算法による雷上空大気発光現象の解析」研究成果報告書　課題番号13640447 (KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）)　　　本文データは著者版報告書より作

電子ビーム放射による地上の電磁界強度の予測と観測

本研究は2ヶ年にわたり、次のような研究課題を設定し研究を実施した。(1)プラズマ中の電子ビ-ムアンテナによる電磁波放射の特性(2)放射された電波の地上への伝搬(3)スペ-スシャットルによる電子ビ-ム放射実験(SEPAC)に伴う地上観測のための準備の各ステップで行なわれた。(1)に関しては、主に文献調査を行い、次の事が調べられた。変調電子ビ-ムによる電磁波放射の研究はあまりなく、その詳細については明らかではないが、定性的には、その放射効率は、ビ-ム近傍プラズマ媒質のLHR周波数で最大になり、電磁波のエネルギ-は磁界と垂直方向に放射する。項目(2)を取り扱うため、電子ビ-ムアンテナをダイボ-ルアンテナに近似出来るものとし、先ず自由空間中にダイボ-ルアンテナが存在する場合の電離層中の電磁界を計算する方法を開発し、次にダイボ-ルアンテナが電離層中にある時の大地上の電磁界を求める計算機コ-ドを開発した。これによりSEPAC実験での電子ビ-ム放射パラメ-タ値を用いて、大地上のVLF波強度を推定したところ、周波数5kHzで、直径200kmの円形内で、5μV/m〜10μV/mが計算された。項目(3)では、地上観測に備えて、移動可能な小型ル-プアンテナ(ル-プ面積1m^2)を製作し、LHR(約5kHz)周波数付近でノイズレベルを測定した。商用周波数の高調波の間隙の周波数では、そのノイズレベルは0.1μV/mで、そして最大値は3μV/mであった。以上の結果を総合すると、予定されているスペ-スシャットルから放射される変調電子ビ-ムによる、大地上でのVLF波の観測は可能であると考えられる。It has been reported recently that an electron beam modulated at VLF frequencies operates with high efficiency as a VLF transmitter in the ionosphere. The Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) of Japan is planning a project known as Space Experiments with Particle Accelerations (SEPAC) on the US Space Shuttle in the near future. As one of many scientific experiments in SEPAC, VLF wave observations will be carried out on the ground to determine the efficiency of the electron beam antenna. The electron beam is emitted along Earth\u27s magnetic field lines from space shuttle.This research project was to support the modulated electron beam experiments from the theoretical and observational View points listed below :(1) Calculation of the wave intensity on the ground using a horizontally stratified model of the ionosphere and assuming the electron beam is effectively a dipole transmitter of VLF waves.(2) Observation on the ground of the noise level at frequencies up to 10 kHz to determine the detection threshold of VLF waves emitted from the electron beam.The results are : The electromagnetic wave field intensities on the ground are estimated theoretically to be 3uV/m to 10 uV/m in a circular region with a radius of 200 km, under the assumptions that the beam current is 10 mA, the beam length is 100 km and the beam is modulated at a frequency of 5 kHz. On the other hand, the noise level at the frequency of 5 kHz was observed using a small loop antenna located on the ground. The intensity of the noise was in the range of 0.1uV/m to 3 uV/m. Therefore, it seems plausible that VLF waves can be detected during a SEPAC-like experiment.Ten papers related to this research project will be published in term of the project.研究課題/領域番号:01540349, 研究期間(年度):1989-199

下部電離層の低電子密度測定に関する研究

金沢大学工学部研究課題/領域番号:X00210----274125, 研究期間(年度):1977出典：「下部電離層の低電子密度測定に関する研究」研究成果報告書　課題番号X00210----274125（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-X00210----274125/）を加工して作

有限な広がりを有するVLF波の下部電離層の透過特性

金沢大学工学部研究課題/領域番号:56540240, 研究期間(年度):1981出典：「有限な広がりを有するVLF波の下部電離層の透過特性」研究成果報告書　課題番号56540240（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-56540240/）を加工して作

低周波大電流電磁パルス波の地中伝搬実験

低周波大電流電磁パルス波を用いた地下数百〜数kmまでの深地下探査レーダ開発の一環として、本研究課題においては以下の研究を行なった。1.地表面付近に置かれたアンテナから放射された電磁パルス波は、数百〜数kmの地下から反射してくる際に、その強度が著しく減衰してしまう。そのため、同じく地表面付近に置かれたサーチコイルによる受信磁界波形において、アンテナからの直接波のように比較的強い信号と同時に、地中からの反射波のような弱い信号の波形を正しく捕らえることのできる広ダイナミックレンジ波形捕捉受信器を設計、制作し、テスト信号を入力することによりその動作を確認した。これは、入力信号の絶対強度の大小により自動的に4段階(0〜36dB)のゲインコントロールを行い、12ビットA/D変換器を用いて約100dBのダイナミックレンジが得られるもので、実際の電磁パルス波地中伝搬実験で得られる観測波形から地中反射波のみを抜き出すために有用である。2.一方、地表付近のアンテナから放射された低周波(10k〜100kHz)電磁パルス波の地中伝搬および埋没物体からの反射の様子を知るために、FDTD(時間領域差分)法によりMaxwell方程式を時空間で差分化し、損失地下媒質中での電磁波伝搬のシミュレーションを行なうコードを開発した。2次元および3次元モデルを用い、埋没物体の散乱断面積の評価やガウスパルス波の地中伝搬特性の解析を行なった。その結果、特に3次元モデルでは自由空間および損失大地を含む実際に近い媒質モデルでのシミュレーションが可能になり、大地上に置かれたループアンテナから放射されたパルス波に対する、地下数百mに置かれた金属板からの反射波の地上での受信波形をシミュレートし、アンテナからの直接波と反射波の分解可能性など、反射波を受信するための条件を検討した。This research has been carried out over two years on the basis of following two categories :(1) Development of a wave form capture with a wide (100 dB) dynamic range to observe weak electromagnetic echoes from the deep underground(2) Computer simulation on the propagation of a VLF electromagnetic pulse in the deep undergroundAs for item (1), we have developed a wave form capture with a wide dynamic range to measure weak VLF echoes reflected from the deep underground which would be received simultaneously with a much stronger electromagnetic pulse directly coming from the transmitter. By using an automatic gain controlling circuit to select the gain (from 0 to 36 dB) of an signal amplifier, a total 100-dB dynamic range has been realized with a single 12-bit (66 dB) A/D converter. The developed wave form capture has been confirmed to work well for several test signals.As for item (2), a three-dimensional computer simulation code using a finite-difference timedomain (FDTD) method, has been developed to compute underground propagation of an electromagnetic wave radiated from a loop antenna on the ground. Using this simulation code, we have evaluated VLF scattering cross sections of metal plates of various sizes buried in the deep (-800m) underground. The results have been applied to estimate the loop current necessary to radiate a VLF radar pulse which produces its echo from the deep underground strong enough to be received by a search coil magnetometer on the ground.研究課題/領域番号:07650421, 研究期間(年度):1995-1996出典：「低周波大電流電磁パルス波の地中伝搬実験」研究成果報告書　課題番号07650421(KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）)　　　本文データは著者版報告書より作

誘導加温による癌治療器システムの開発

・誘導加温装置の開発従来の誘導加温装置における癌治療範囲は最大40mm(3mT@40mm)であったが、更なる治療範囲拡大を目指し装置を改良した。改良機の主な仕様は、消費電力最大10kW、共振電流300A、コイルの外形30cmである。同装置を用いて磁場強度の測定を行った結果、治療可能範囲が約90mm(3mT@89mm)であることを確認した。・アプリケータの高効率化(1)高透磁性材料の付加(フェライト板の利用)フェライトをコイル下に設置することで、治療可能範囲を120mm(3mT@120mm)に拡大することができた。さらに、電磁界シミュレータMAFIAによるシミュレーション結果より、フェライトがアプリケータから漏洩する電磁波を低減していることも確認できた。(2)高周波抵抗低減線材の使用(リッツ線の使用)従来の装置はアプリケータでの銅損が5kWと非常に大きく、装置の小電力化及び小型化を推し進める上で大きなハードルとなっていた。そこで、リッツ線を用いた高効率アプリケータの製作に努め、消費電力を約30%低減することに成功した。・DM発熱メカニズムの解明これまでDM発熱メカニズムは未知とされ、定量的に測定したという報告は皆無であった。そこで、トロイダルコイルを用いてDMのヒステリシス損を実験により測定し、DM発熱量の約40%がヒステリシス損による発熱であることを確認した。・血流による冷却シミュレーション1次元熱伝導シミュレーションを行うことで、人体の各部位における治療可能性を明確にできた。・渦電流対策豚など大型動物を用いて動物実験を行う際は、渦電流による発熱を考慮しなければならない。簡単なモデルを想定した理論的考察の結果、出力周波数を約150kHzにすることで渦電流による発熱を小さくし、DMを十分発熱させることができると分かった。また、豚肉を用いたin vitro実験でも同様の結果を得た。・誘導加温装置に関するEMC対策の関連研究も行った。-Device developmentIn order to extend the maximum range for cancer treatment, we have improved the first prototype device (which could generate the magnetic field of 3 mT at 40 mm from the induction coil). By increasing the output power to 10kW, the resonance current to 300 A, and the coil diameter to 30 cm, we have been able to realize 3 mT at about 90 mm, which was confirmed by the actual measurement of induced magnetic field strength from the improved device.-Highly effective applicator(a)Use of a high magnetic permeability material (ferrite)The range of the treatment has been further extended to 120 mm, by placing a ferrite board under the coil. From an electromagnetic simulation, we have also confirmed that this ferrite board reduces the electromagnetic waves leaking from the applicator.(b)Use of "litz wire" with low "high-frequency resistance"The copper loss of the applicator on a previous device was as high as 5 kW, because of the high "high-frequency resistance" of the coil wir es. Making use of the low "high-frequency resistance" of "litz wire," we have reduced the power consumption of the device by approximately 30%.-DM heating mechanismsIn order to clarify the heating mechanism of Dextran Magnetite (DM), we have measured its "hysteresis loss" by filling the DM solution into a toroidal tube. As a result, we have found that the hysteresis loss occupies about 40 percent of the total amount of DM heating.-Simulation of cooling blood flowThe cooling mechanism of the heated regions due to the blood flow has been examined by a one-dimensional heat conduction simulation.-Eddy current reductionIn the tests using large animals such as pigs, it is necessary to reduce the "eddy current heating" on normal cells. By assuming a simple model, we have found theoretically that the eddy current heating can be reduced even when the DM is sufficiently heated, by adjusting the output frequency of the device as approximately 150 kHz.-Other EMC measurement techniques have been developed associated with the induction heating.研究課題/領域番号:15300179, 研究期間(年度):2003-2004出典：「誘導加温による癌治療器システムの開発」研究成果報告書　課題番号15300179 (KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）)　　　本文データは著者版報告書より作

雷放電による上層大気の発光現象の発生機構の解明

雷放電に伴う上層大気の発光現象(SpritesとElves)の発生に関して、3次元空間での時間発展のシミュレーションに成功し、それらの発生特性および雷放電から放射される電磁波の特性を明らかにした。その成果の概要を以下に述べる。1. 雷放電として電流パルスがCloud-to-Ground放電するものと仮定し、その電磁波が地球磁界を考慮した電離層に入射するものとして、放射波形が厳密に解かれた。2. 電磁波強度と窒素分子の励起による発光強度の関係を式で与え、発光現象の発生領域 と発光強度の時間推移を求めた。3. Elvesは雷放電による電磁波パルスにより、高度80〜100kmで、放電後0.4〜0.7msecの間に半径40kmから100kmまで時間と共に増大するやや非対称なシリンダ状に発生することが示された。またSpritesが高度60〜70kmで厚さ10km、半径20kmの円筒状に0.6msecか ら数十 msecまで継続して発生する原因は、雷雲中の正電荷が放電した後に残された負電荷により生じる強い静電界によるものであることが示された。これらの結果は最近の観測結果とその構造には違いが見られるが、発光強度、発光時間に大変よい一致が見られた。4. 計算により求めた雷放電から放射される電磁波波形に対して詳細な周波数解析を行っ た結果、電離層ー大地間の電磁波多重反射の影響で、雷からの距離の違いにより観測波 形には顕著な周波数特性の違いが生じることが明らかになった。このことは、雷からの 空電波形を一地点で観測することにより雷の位置を検出できる新たな可能性を示すもの である。5. 実際にアメリカのロケット実験で雷雲上空数百kmにおいて観測された電磁界波形との 比較を行ったところ、実測された波形は本計算法で求められる値とおおよそ一致し、本 計算法が定量的に正しいことが示された。We have developed a full-wave method to calculate three-dimensional ionospheric propagation of an electromagnetic pulse radiated from a lightning discharge, to analyze generation mechanisms of luminous emissions in the upper atmosphere above thunderclouds. The main results are summarized as follows :(a)Both spatial distribution and temporal evolution of an electromagnetic pulse radiated from a lightning discharge have been calculated by a full-wave method which makes use of Fourier transformations in space and time domain.(b)Assuming luminous emissions above thunderclouds are generated by nitrogen molecules excited by the intense electromagnetic wave radiated by the lightning discharge, we have computed time evolution of the emissions. Computed results suggest that the Elves are generated in the altitude range of 80-100 km by the radiated electromagnetic wave during 0.4-0.7 msec after the lightning stroke, while the Sprites are likely to be generated at lower altitudes (60-70 kin) after 0.6 msec by an intense electrostatic field created by the discharge. These features are consistent with the actual observations of these luminous emissions.(c)Peculiar frequency-time structures have been found to appear on the electromagnetic pulse when it propagates up in the ionosphere, possibly caused by the multiple reflection of the pulse in the Earth-ionospheric waveguide. Compared with the electromagnetic wave form observations by a rocket experiment conducted above thunderclouds over Wallops Islands, USA, calculated results of the electromagnetic wave forms are quantitatively consistent with the actual observations.研究課題/領域番号:09640530, 研究期間(年度):1997-1998出典：「雷放電による上層大気の発光現象の発生機構の解明」研究成果報告書　課題番号09640530 (KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）)　　　本文データは著者版報告書より作

超低周波電磁パルス波の地中伝搬特性とその大振幅電磁パルス伝搬実験

金沢大学工学部本研究は2ヶ年にわたり,次のような研究課題し研究を行なった。(1)電磁パルス波発生装置の設計・試作(2)伝搬実験によるデータの取得・解析(1)に関しては大電力電磁パルス波発生装置を実際に試作した。この装置はコンデンサバンクを高電圧に充電し,その放電により得られる大電流をSIT(静電誘導トランジスタ)で制御し,送信用ループアンテナに低周波電流を流して,強力な磁界を発生させることができた。性能としてはコンデンサバンクを100【V】で充電し,最大200【A】の電流が発生可能であり,パルス数とパルス周波数を設定できる。問題としては,コンデンサバンクの耐電圧に余裕があるが,SITの電流容量の制限があることである。そのため,SITと並列に電流容量の大きい電磁スイッチを接続し,これを短絡させることにより単発のパルスを発生できるようにした。この場合,充電電圧200【V】で,400【A】の電流が得られた。本装置の最大規格としては,コンデンサを直列に接続し充電電圧が1000【V】で,2000【A】の電流が得られる。(2)に関しては上記の大電力電磁パルス波発生装置を用いて,金沢大学工学部グランドにおいて伝搬実験を行なった。グランド上に送信ループアンテナと受信用サーチコイルの距離を30【m】とした。この実験において送信ループアンテナで発生させる磁界の波形はアンテナ電流の波形と等しいが,サーチコイルセンサからの出力電圧は磁界波形を微分したものになる。そこで,出力電圧波形から磁界波形にもどす処理を行なった。また,データの取得にデジタルオシロスコープを用いたが,この方法ではサンプリング時間が短く,フーリエ変換の際に低周波域のデータが得られないことがわかった。これは新たにA/D変換器を製作する必要がある。サーチコイル受信磁界波形と送信波形の比較した結果,今回の実験では地下からの反射波の可能性があるパルス波がみられたが,地下からの反射があるかどうかが確実ではないので,あらかじめ地下構造のわかった条件での実験が必要である。また,反射波があるとした場合,簡単なモデルを想定しシミュレーションを行なったが,反射波の磁界強度と遅延時間を考えると現在のデジタルオシロスコープを利用した方法では反射波の抽出は難しく,新たにA/D変換器を製作する必要がある。This research has been carried out over two years on the base of following two categories:1. Design and production of an electromagnetic pulse generator.2. Experiment and analysis of the wave propagation into the underground.As for the item 1, we have developed a portable high power VLF pulse generator to transmit a VLF pulse into deep underground. The generator consists of a condenser bank, high-power static induction transistors(SIT) and a circuit to control them. A series of pulses with a current of 1000AT at the frequencies ranging from 100Hz to 100kHz can be generated to drive a loop antenna. The driving current can be raised up to 2000AT by connecting the antenna directly to the condenser bank. As for the item 2, we carried out a propagation experiment of a pulse transmitted from a loop antenna with two turns and a radius of 2m using the pulse generator. The search coil sensor was set at a distance of 30m far from the transmitter and received the resultant pulse wave forms of a direct wave and a reflected wave from underground. We tried to separate a reflected wave from a deep surface under the ground into the resultant wave forms referring the calculated direct wave form from the antenna. The most suitable set up of the transmitter and receiver was discussed to obtain the reflected pulse wave form with better signal to noise ratio from the underground.研究課題/領域番号:03650321, 研究期間(年度):1991 – 1992出典：研究課題「超低周波電磁パルス波の地中伝搬特性とその大振幅電磁パルス伝搬実験」課題番号03650321（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/report/KAKENHI-PROJECT-03650321/036503211992kenkyu_seika_hokoku_gaiyo/）を加工して作

下部電離層の衝突周波数測定方法に関する研究

金沢大学工学部研究課題/領域番号:X00210----474190研究期間(年度):1979出典：「下部電離層の衝突周波数測定方法に関する研究」研究成果報告書　課題番号X00210----474190（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-X00210----474190/）を加工して作

ロケットによるVLF電波の偏波と強度観測値から低電子密度分布の計算

金沢大学工学部研究課題/領域番号:X00210----174133, 研究期間(年度):1976出典：「ロケットによるVLF電波の偏波と強度観測値から低電子密度分布の計算」研究成果報告書　課題番号X00210----174133（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-X00210----174133/）を加工して作