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【研究成果】ベイズ推定を用いた速度分布関数の解析法を开発～プラズマ科学とデータサイエンスの异分野协働～

概要

原子や分子のような微小な粒子の集まりは温度が高ければ高いほど高速に动き回り、固体から液体、液体から気体へとその状态が変化します。気体をさらに加热すると、原子が电子とイオンに分かれ、それぞれが别々に动き回る物质の第4の状态、プラズマに変化します。プラズマでは个々の电子やイオンが様々な速度で运动し、それらの速度の统计性を表す速度分布関数を调べることがそのプラズマの性质を理解することに繋がります。例えば、磁化プラズマ中のイオンは、条件によって、最も単纯な速度分布関数であるマクスウェル分布とは异なる统计性に従い、それを表すいくつかの理论モデルが提案されています。しかし、これまでは実験から得られたノイズを含むデータにどの理论モデルが対応するかを统计的に判别する方法がありませんでした。
九州大学情報基盤研究開発センターの徳田悟助教、同大学応用力学研究所の稲垣滋教授、同大学大学院総合理工学府の河内裕一氏(博士後期課程3年)、同大学総合理工学研究院の寺坂健一郎助教、日本大学生産工学部の佐々木真助教、島根大学学術研究院理工学系の荒川弘之准教授、広島大学大学院先进理工系科学研究科の山崎広太郎助教らの共同研究グループは、IT分野などで幅広く用いられている?ベイズ推定?という統計学的方法を基礎とし、実験データに対して適切な速度分布関数の理論モデルを選択する新たな解析方法を開発しました。同解析法を直線磁化プラズマ実験装置(PANTA)から得られたデータに適用することで、その有効性を実証しました。本手法は直線磁化プラズマだけでなく様々なプラズマに適用可能であり、天体プラズマや核融合プラズマなどの実験データの解析にも役立つと期待されます。
本研究成果は、国際学術誌?Scientific Reports?に10月21日付で掲載されます。

研究者からひとこと：本成果はプラズマ物理学と统计学の间の异分野协働によって初めて実现したものです。分野が违うと、言叶や目的意识、?当たり前?が异なるので、相互理解に向けて议论を积み重ねました。その甲斐もあり、一つの分野からは见出せないブレイクスルーに繋がったものと自负しています。

図：
(上)笔础狈罢础実験装置
(左下)レーザー诱起蛍光法によるイオン速度分布の计测データ
(右下)理论モデルの候补とデータに対する妥当性を表す确率。结果から3番の理论モデルが妥当であると示されました。

 

谢辞

　本研究成果は、日本学术振兴会科学研究费补助金若手研究?条件付き独立な観测に基づく统计的推测の理论と実践?(研究代表者:徳田悟)、同补助金特别研究员奨励费?プラズマにおけるイオン/电子温度揺动および揺动駆动热流束の评価法开発?(研究代表者：河内裕一)、同补助金基盘研究(颁)?直线磁化プラズマにおける高次非线形构造形成による输送ダイナミクスの解明?(研究代表者：荒川弘之)、九州大学応用力学研究所共同利用研究特定研究(分野融合)?定常状态プラズマにおけるイオン速度分布関数のベイズ推定?(研究代表者:徳田悟)、岛津科学技术振兴财団研究开発助成金?特异値分解とベクトルトモグラフィーを适用したプラズマ乱流パターン観测法の开発?(研究代表者：荒川弘之)の助成により得られました。

论文情报

  • 掲載誌: Scientific Reports (Springer Nature Publishing AG)
  • 論文タイトル: Bayesian inference of ion velocity distribution function from laser-induced fluorescence spectra
  • 著者名: S. Tokuda, Y. Kawachi, M. Sasaki, H. Arakawa, K. Yamasaki, K. Terasaka, and S. Inagaki
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-00138-4
【お问い合わせ先】

＜研究に関すること＞

九州大学 情報基盤研究開発センター 助教

徳田 悟 (とくだ さとる)

TEL: 092-583-8423

E-mail: s.tokuda.a96＊m.kyushu-u.ac.jp

九州大学 応用力学研究所 教授

稲垣 滋 (いながき しげる)

TEL: 092-583-7716, FAX: 092-583-7690

E-mail: inagaki＊riam.kyushu-u.ac.jp

＜报道に関すること＞

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(注: ＊は半角@に置き換えてください)

掲載日 : 2021年10月26日


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