粒子トラック法のプラズマ計測への応用

金沢大学理学部研究課題/領域番号:56055018, 研究期間(年度):1981出典：「粒子トラック法のプラズマ計測への応用」研究成果報告書　課題番号56055018（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-56055018/）を加工して作

強いラングミュア乱流の構造についての実験的研究

金沢大学理学部大強度相対論的電子ビーム(IREB)とプラズマとの相互作用により生ずる強いラングミュア乱流について実験研究を行った。1.これまでに確立してきた乱流電場の分光測定法を活用して,ヘリウム雰囲気中でカーボン電極プラズマ銃により生成されたプラズマ中にIREBを入射することにより生ずる乱流電場の統計的分布をシュタルク・シフトの測定より求め,またプラズマ・サテライト法により電場の平均的な強さを求め,両者を比較することによりキャビトン群がプラズマ中に占める体積比を求めた。2.理論によりビーム電子とキャビトンとの相互作用によりプラズマ周波数よりもはるかに高い周波数までの電磁波放射が予想されている。これまでの周波数領域18〜40GHzでの5チャンネルスペクトロメーターによるマイクロ波放射測定に加え,カットオフ周波数が14,48,74及び116 GHzの導波管をハイパス・フィルターとして用い,焦電素子を検出器として用いて発生電磁波を測定し,116GHz以上の広帯域の電磁波が発生していることを確かめたが,スペクトルの形を決定するまでには至っていない。3.キャビトンとの相互作用によるビーム電子のエネルギー分布の変化及びプラズマ電子の加速の確認及びそのエネルギー分布の測定のために,電磁石を用い21個のファラディカップを検出器として用いるエネルギーアナライザーを整備した。ビーム電子のエネルギー分布の変化から乱流電場の強さを推定した。プラズマ電子加速確認は今後の課題となった。4.フーリエ解析コイル及びミニファラディカップアレイによるビーム伝播測定を行い,大きな巨視的不安定性が無いことを確かめた。5.パルス直線放電によりヘリウムプラズマを生成し,ビーム伝播実験を行い,ビームが良く伝播するイオン収束領域及び二流体不安定性により加熱される領域を確かめた。このプラズマを用いての強いラングミュア乱流発生実験は今後の課題となった。研究課題/領域番号:04680007, 研究期間(年度):1992 – 1993出典：研究課題「強いラングミュア乱流の構造についての実験的研究」課題番号04680007（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-04680007/）を加工して作

集団加速されたイオンの種類および電荷の測定

金沢大学理学部研究課題/領域番号60580005, 研究期間(年度):1985出典：研究課題「集団加速されたイオンの種類および電荷の測定」課題番号60580005（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-60580005/）を加工して作

REBによる核融合

金沢大学理学部研究課題/領域番号:X00040----210213, 研究期間(年度):1977出典：「REBによる核融合」研究成果報告書　課題番号X00040----210213（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-X00040----210213/）を加工して作

大強度相対論的電子ビーム-プラズマ系からの大出力広帯域マイクロ波発生

金沢大学理学部本研究の目的は、大強度相対論的電子ビーム・プラズマ相互作用により、プラズマ周波数より高い周波数の大出力マイクロ波を発生させ、その特性を調べることである。研究の延長線上にはマイクロ波発生機構の解明がある。カーボンを電極としたレール型プラズマ銃2基で、密度が軸方向に減衰するカーボン・プラズマを生成し、このプラズマ中に、大強度相対論的電子ビーム(最大1.5MeV、27kA、30ns)を入射した。アノード領域の下流側より5cmの点(この点でのプラズマ密度の最大値は1〜2X10^cm^)で、ビームの進行方向に対して直角方向に放射される大出力マイクロ波、およびドリフト管の下流側端部(アノード領域より70.5cm)で、ビーム進行方向に放射される大出力マイクロ波を、30.7〜35.7GHz帯(マイクロ波出力1)、および40.0〜60.0GHz帯(マイクロ波出力2)で測定した。測定結果をまとめると:1)プラズマ周波数の数倍から約10倍の周波数範囲で大出力のマイクロ波放射を観測した。2)放射には発生機構が異なると思われる二つのタイプがある。3)タイプIはビームの進行方向および直角方向で観測され、マイクロ波出力2対マイクロ波出力1の比がほぼ一定である。4)ビーム進行方向の出力が直角方向の出力より数倍大きい。5)タイプIの場合、マイクロ波出力のビーム・パラメーターへの依存の仕方がビーム出力の小さいときと大きいときとで異なる。6)タイプIIはビーム進行方向でだけ観測され、マイクロ波出力2対マイクロ波出力1の比が小さい。7)マルクス充電電圧が低いときには出ない。8)30.7〜35.7GHz帯びでの最大出力は、ビーム進行方向で、約12kW/(m^2であった。以上の実験結果を踏まえ、18〜40GHzの周波数範囲の5チャンネルのマイクロ波スペクトロメーターを整備した。研究課題/領域番号:63055015, 研究期間(年度):1988出典：研究課題「大強度相対論的電子ビーム-プラズマ系からの大出力広帯域マイクロ波発生」課題番号63055015（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-63055015/）を加工して作

大強度相対論的電子ビーム・プラズマ系における乱流電場の分光測定

金沢大学理学部強い電子ビームを非磁化プラズマ中に入射するとビーム・プラズマ不安定性により大振幅の静電波が励起されプラズマは乱流状態になる。本研究は,大強度電子ビーム・プラズマ系ではどのような乱流状態が実現されているかを調べるための最初のステップとして,乱流電場の大きさを分光的に測定する手法を確立することを主たる目的として行われた。成果は次のようにまとめられる。1.BarangerとMozerのプラズマ・サテライト法及びシュタルク・シフトの測定のための現有のジャーレル・アッシュ0.5mのモノクロメーターの8ツャンネルのポリクロメーターへの改造を完成した。各チャンネルの分解能は0.3Aで,カバーする波長範囲は最小3.2Aである。2.真空容器中に20mTorrのヘリウム・ガスを充填し,レール銃によりカーボン・プラズマを生成し,その中に大強度相対論的電子ビームを入射し,Hel447.2nm及び492.2nm線の近傍にそれぞれ禁制線447.0nm及び492.0nmが現れることによりプラズマが乱流状態になっていることを確認した。3.Hel501.5nm及び667.8nm線のシュタルク・シフトの測定より,110〜125kV/cmもの強さの電場もプラズマ中に存在すること,電場の分布はガウシアンであることが分かった。4.電子ビームが終わった後でも乱流状態が約1μsの間続くことが分かった。5.分光測定の結果は,プラズマ中には密度が薄く振動電場が強い領域であるキャビトンが幾つも生成・崩壊・バーンアウトしながら存在し,且つ,乱流はキャビトン群とバックグランドの弱い波群とからなっているとする乱流2成分説で説明できそうである。6.レーザー誘起螢光法に用いる色素レーザー励起用の窒素レーザーを製作し色素レーザーを発振させた。7.ビーム電子密度とプラズマ電子密度の比が約0.01を越えると大出力マイクロ波放射及び電流増幅現象が現れるが,分光測定ではこの密度比依存性は見られなかった。The main purpose of this research project was to establish spectroscopic methods for measurements of turbulent electric fields in an intense relativistic electron beam-plasma system. Followings are summary of results obtained: 1. An 8-channel spectroscopic system composed of a 0.5 m Ebert-type monochromator(Jarrell-Ash), a rod lens, a fiber bundle and eight photomultipliers has been prepared. Resolution of each channel is 0.03 nm and the minimum separation between neighboring channels is 0.04 nm. 2. Forbidden lines 447.0 nm and 667.8 nm were observed near He I 447.2 nm and 492.2 nm lines, respectively, when an intense beam was injected into a plasma produced in helium gas of 20 m Torr by a pair of plasma guns. The appearance of forbidden lines is an evidence of the turbulent state of the plasma. 3. It was found from Stark shift measurements that there were electric fields even as high as 110-125 kV/cm, and that the distribution of the electric fields was a Gaussian. 4. The turbulent state continued to exist even about 1 mus after the beam ceased to propagate. 5. The results of spectroscopic measurements may be explained by the recently proposed two-component model which states that there are many cavitons in the plasma which repeat creation by nucleation, collapse and burn out, and that the turbulent state consists of cavitons and background weak waves. 6. A N_2-laser for pumping a dye laser was fabricated. The dye laser is to be used for a plasma satellite method with laser induced florescence. 7. When the ratio of the beam electron density and the plasma electron density was higher than about 0.01, high-power broadband microwaves were emitted, and current enhancement phenomenon appeared. However, there was no dependence on this density ratio of the results of the spectroscopic measurements.研究課題/領域番号:02452271, 研究期間(年度):1990 – 1991出典：研究課題「大強度相対論的電子ビーム・プラズマ系における乱流電場の分光測定」課題番号02452271（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-02452271/024522711991kenkyu_seika_hokoku_gaiyo/）を加工して作

誘電体装荷導波管内でのビーム・プラズマ不安定性による高出力ミリ波放射の増大

金沢大学理学部1.理論的解析 (1) 軸方向に有限な磁場をかけてある誘電体装荷円形導波管内にプラズマを生成しその中に大強度相対論的電子ビームを入射した際の電磁波放射についての分散関係を導出した。真空の場合にも見られるチェレンコフ不安定性,サイクロトロン・チェレンコフ不安定性に加えてビーム・プラズマ不安定性が起こることが分かった。(2)数値解析により不安定性の起こる周波数(放射電磁波の周波数)および不安定性の成長率を求めた。(3)プラズマ周波数が電子のサイクロトロン周波数より低い場合にはプラズマが有ることによるチェレンコフあるいはサイクロトロン・チェレンコフ不安定性の成長率の増加は見られなかったが,プラズマ周波数が電子のサイクロトロン周波数より高い場合にはチェレンコフおよびサイクロトロン・チェレンコフ不安定性の成長率の増加が見られ,またビーム・プラズマ不安定性の成長率の増大も見られた。(4)解析結果は高出力広帯域のマイクロ波放射の可能性を示している。2.実験 (1)アルゴンガスを導入し,ビームによる電離でプラズマを生成し,ビーム伝播について調べ,アルゴンガス圧力が約100mTorr以下のとき,ビーム・プラズマ不安定性によるものと思われる電流増幅現象を観測した。(2)チェレンコフ,サイクロトロン・チェレンコフおよびビーム・プラズマ不安定性によるものと思われるブロードなスペクトルのマイクロ波放射を観測した。全出力はアルゴンガス圧力約100mTorr以上で減少した。これはビーム・プラズマ不安定性が抑えられるからと考えている。1. THEORETICAL ANALYSIS(1) We derived a dispersion relation for waves excited by an intense monoenergetic linear relativistic electron beam (IREB) in a plasma-filled dielectric-lined cylindrical waveguide immersed in a finite magnetic field. Finding is that, in addition to the Cherenkov and cyclotron-Cherenkov instabilities which can be excited in a vacuum waveguide, the beam-plasma instabilities are also excited. These instabilities are due to coupling of slow space-charge waves and slow cyclotron waves on the beam with Trivelpiece-Gould modes in the plasma.(2) We analyzed numerically the dispersion relation and derived frequencies and growth rates of these instabilities.(3) When the plasma frequency is lower than the electron cyclotron frequency, enhancement of the growth rates of the Cherenkov and the cyclotron-Cherenkov instabilities due to presence of the plasma are not observed. However, when the plasma frequency is higher than the cyclotron frequency, the growth rates of both instabilities are enhanced, and, moreover, the growth rates of the beam-plasma instabilities are also much enhanced.(4) The growth rates of the latter instabilities are much higher than the growth rates of the former instabilities and we can expect high-power radiation based on this mechanism with broad frequency band.2. EXPERIMENTS(1) We designed and manufactured an experimental device. A plasma was produced by ionizing argon gas introduced into the device with the injected IREB itself. We studied IREB propagation first, and observed current amplification phenomenon when the argon pressure was less than about 100 mTorr. Taking into account results of radiation measurement. we think that this phenomenon is caused by the beam-plasma instabilities.(2) We observed broadband microwave radiation. The total power decreased much for the argon pressure higher than about 100 mTorr. The spectrum of the observed radiation shows contribution from the whole instabilities. This supports the idea that decrease of the total power for the argon pressure above 100 mTorr is due to suppression of the beam-plasma instabilities.研究課題/領域番号:09680457, 研究期間(年度):1997 – 1998出典：研究課題「誘電体装荷導波管内でのビーム・プラズマ不安定性による高出力ミリ波放射の増大 」課題番号09680457（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-09680457/096804571998kenkyu_seika_hokoku_gaiyo/）を加工して作

大強度相対論的電子ビームによるイオンの集団加速の研究

金沢大学理学部研究課題/領域番号:X00070----442045, 研究期間(年度):1979 – 1980出典：「大強度相対論的電子ビームによるイオンの集団加速の研究」研究成果報告書　課題番号X00070----442045（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-X00070----442045/）を加工して作