宇宙プラズマ中でのアンテナ特性に関する計算機実験

*山本 敦士[1], 臼井 英之[1], 松本 紘[1], 小嶋 浩嗣[1]
大村 善治[1]

京都大学宙空電波科学研究センター[1]

Computer Experiments on Antenna Characteristis in Space Plasmas

*Atsushi Yamamoto[1] ,Hideyuki Usui [1]
Hiroshi Matsumoto [1],Hirotsugu Kojima [1]
Yoshiharu Omura [1]
Radio Science Center for Space & Atmosphere (RASC)[1]

We have been studying antenna characteristics such as the input impedance in space plasmas by performing electromagnetic PIC simulations. We particularly focus on the higher frequency than plasma frequency with using PIC simulation, which has not been quantitatively analyzed in space plasma. We are also interested in the influence of photoelectron emission from the antenna on its characteristics. We will discuss some of the results obtained in the simulations.

電離層や宇宙プラズマ中に置かれたアンテナ特性の研究は、 プラズマ波動の観測用において、その絶対強度、 位相の評価において重要である。すなわち、プラズマ中に 置かれたアンテナの特性とプラズマパラメータの関係を あらかじめ計算機実験により知ることで、実際の衛星観測や ロケット実験にもフィードバックできるのではないかと考えられる。 そこで、宇宙プラズマ空間をできるだけ正確に再現するため、 計算機上に3次元空間を用意し、プラズマと ダイポールアンテナを設置した。プログラムコードには 京都大学宙空電波科学研究センターにおいて開発され、 三次元用にまで発展されてきた KEMPO(Kyoto-university ElectroMagnetic Particle cOde)を 用いている。
これまでに、アンテナ特性ついては多数の研究がなされており、 理論では微小ダイポールアンテナ(Balmain, 1964)や、シースを 考慮した微小ダイポール(Aso, 1974)、波長と同程度の長さの アンテナの研究(Adachi, 1977)がなされており、実際の 宇宙実験においてはアンテナインピーダンスの測定(Oya, 1966)や 科学衛星GEOTAILでの地球磁気圏プラズマ中での アンテナインピーダンスの測定(Tsutsui, 1997)が行われている。 計算機実験ではRASCにおいて波長と同程度の 半波長ダイポールアンテナを用いたアンテナインピーダンスの 計算機実験(Yamashita, 1998)がなされている。

今回、我々はデバイ長の変化や、磁気圏の環境を 模擬するために、パラメータ依存性に着目した。 観測衛星のアンテナは、およその経験則から デバイ長程度を推し量って長さを決定している。 科学衛星GEOTAILの場合、平均的なデバイ長を考慮して 長さが決定されるが、それよりも十分長い波長の プラズマ波を観測している。しかし、その際の実効長、 アンテナインピーダンスなどのパラメータは経験的な値を 用いており、定量的には評価されていない。本研究では 上記のシミュレーションにより、これらの定量的な調査を行う。

また、実際の宇宙プラズマ環境では、導体周辺にイオンシースが 形成される。性格にプラズマ環境を再現するためには イオンシース環境の構築が必要である。 さらに、アンテナ特性の光電子依存性にも今後着目する必要 がある。光電子放出により、アンテナと衛星本体との 電位関係が変化するとともに、周辺プラズマ環境も変動する。 このような状況においてアンテナ特性がどのように影響を うけるかについては、これまで定量的に解析されたことはない。 本研究では、まず、光電子放出をシミュレーションに数値的に 取り入れ、それによるアンテナと衛星本体との 電位関係および周辺プラズマの影響について調べ、 その状況下でのアンテナ特性について計算機実験で示し、述べる。