[論文レビュー] Axial momentum gains of ions and electrons in magnetic nozzle acceleration

Kazuma Emoto, Kazunori Takahashi+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2021

Plasma Diagnostics and Applications参考文献 39被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、完全粒子運動論的PIC-MCCシミュレーションを用いて、磁場ノーズRFプラズマトロッターにおいて、電子が主にダイアマグネティックドリフト電流に起因するローレンツ力によって顕著な軸方向運動量を獲得することを示した。静電力によるものではなく、磁場強度が増加するにつれ、電子の軸方向運動量獲得がイオンを上回り、径方向から軸方向への運動量変換が効率的に行われ、比速度と全体的な推力が向上する。

ABSTRACT

The fully kinetic simulations of magnetic nozzle acceleration are conducted to investigate the axial momentum gains of ions and electrons with the electrostatic and Lorentz forces. Axial momentum gains per ion and electron are directly calculated from the kinetics of charged particles, indicating that electrons in the magnetic nozzle obtain the net axial momentum by the Lorentz force even though they are decelerated by the electrostatic force. Whereas ions are also accelerated by the electrostatic force, the axial momentum gain of electrons increases significantly with increasing the magnetic field strength and becomes dominant in the magnetic nozzle. In addition, it is clearly shown that the axial momentum gain of electrons is due to the electron momentum conversion from the radial to axial direction, resulting in the significant increase in the thrust and the exhaust velocity.

研究の動機と目的

• 磁場ノーズプラズマトロッターにおける軸方向運動量獲得の起源を調査し、特にローレンツ力と静電力の役割を特定する。
• 電極なし磁場ノーズ系において、イオンと電子のどちらが軸方向運動量獲得を支配するかという未解決の問いに答える。
• ローレンツ力が電子運動量を径方向から軸方向にどのように変換するかのメカニズムを明確にする。
• 高磁場下の磁場ノーズにおいて、電子運動量獲得が全体の推力および噴出速度に与える寄与を定量的に評価する。
• 電子損失を防ぎつつイオン加速を促進するために、プラズマポテンシャルがどのように調整されるかを説明する。

提案手法

• 粒子-場の自己一致法（PIC-MCC）を用いた2次元対称的粒子シミュレーションにより、イオンおよび電子の運動をモデル化する。
• RFアンテナ、誘電体、ソレノイドを備えた双方向磁場ノーズRFプラズマトロッターをシミュレートし、静磁場を生成する。
• ローレンツ力の法則を用いて、静電力とローレンツ力を独立して計算する： 𝒇e = −𝑒𝑛e𝑬 + 𝒋e × 𝑩。
• 粒子の速度変化を時間的に追跡することで、イオンおよび電子ごとの軸方向運動量獲得を直接計算する。
• ディリクレ境界条件（𝑥 = 2.5 cm、𝑦 = 0.56 cm で 𝜙 = 0）を用いたポアソン方程式を解き、静電ポテンシャルを求める。
• 鞘層効果を除外するため、領域 1.5 cm < 𝑥 < 2.3 cm および −0.35 cm < 𝑦 < 0.35 cm において運動量獲得を統合し、合成推力を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場ノーズ加速において、イオンと電子のどちらが軸方向運動量獲得に寄与しているかの相対的寄与度は？
• RQ2 ダイアマグネティックドリフト電流に起因するローレンツ力が、電子の軸方向運動量に与える影響は？
• RQ3 磁場ノーズ内において、電子運動量がどのように径方向から軸方向に転送されるかのメカニズムは？
• RQ4 磁場強度を増加させると、電子とイオンの運動量獲得の優位性にどのような変化が生じるか？
• RQ5 電子損失に起因してプラズマポテンシャルがどの程度上昇するか、そしてそれがイオン加速に与える影響は？

主な発見

• 高磁場強度下では、静電力によって減速されても、電子はローレンツ力によって顕著なネット軸方向運動量を獲得する。
• ソレノイド電流が 2.0 kA turn のとき、電子の軸方向運動量獲得は 47.1 μN/m に達し、イオンの 34.6 μN/m を上回り、電子が主要な運動量源となる。
• 磁場強度が上昇するにつれ、ダイアマグネティックドリフト電流に起因するローレンツ力が強化され、電子の軸方向運動量獲得が著しく増加する。
• x方向における電子のネット軸方向運動量獲得は、ローレンツ力によってy方向の運動量がx方向に変換されることに起因する。
• ソレノイド電流が増加する（例：0 から 2.0 kA turn に）に伴い、プラズマポテンシャルが上昇し、電子損失が防がれるとともにイオン加速が促進され、結果として噴出速度が向上する。
• 2.0 kA turn のとき、合計のネット軸方向運動量獲得は 81.7 μN/m に達し、電子駆動の運動量変換が推力の顕著な向上に寄与していることが示された。