Двойной слой (физика плазмы) - Double layer (plasma physics)

А двухслойный это структура в плазма состоящий из двух параллельных слоев с противоположным электрическим зарядом. Листы заряда, которые не обязательно являются планарными, производят локальные экскурсии электрический потенциал, что приводит к относительно сильному электрическому полю между слоями и более слабым, но более обширным компенсирующим полям снаружи, которые восстанавливают глобальный потенциал.^[1] Ионы и электроны в двойном слое ускоряются, замедляются или отклоняются электрическим полем в зависимости от направления их движения.

Двойные слои могут быть созданы в разрядные трубки, где постоянная энергия обеспечивается внутри слоя для ускорения электронов от внешнего источника энергии. Утверждается, что двойные слои наблюдались в Аврора и вызываются в астрофизический Приложения. Точно так же двойной слой в авроральной области требует некоторого внешнего драйвера для ускорения электронов.

Двойные электростатические слои особенно распространены в плазме с током и очень тонкие (обычно десять Дебая длины ) по сравнению с размерами плазмы, в которой они находятся. Другие названия двойного слоя - электростатический двойной слой, двойной электрический слой, двойные слои плазмы. Термин «электростатический разряд» в магнитосфера был применен к электрическим полям, ориентированным на наклонный угол к магнитному полю таким образом, что перпендикулярное электрическое поле намного сильнее параллельного электрического поля,^[2][3] В лазерной физике двойной слой иногда называют амбиполярным электрическим полем.^[4]

Двойные слои концептуально связаны с понятием «оболочка» (видеть Дебая ножны ). Ранний обзор двойных слоев из лабораторных экспериментов и моделирования предоставлен Торвеном.^[5]

Классификация

Формирование двойного слоя. Для образования двойного слоя электроны должны перемещаться между двумя соседними областями (диаграмма 1, вверху), вызывая разделение зарядов. Это может привести к дисбалансу электростатического потенциала (Диаграмма 2, внизу).

Двойные слои можно классифицировать следующим образом:

• Слабый и сильный двойные слои. Прочность двойного слоя выражается как отношение потенциальное падение по сравнению с плазменным эквивалентом тепловая энергия, или по сравнению с масса покоя энергия электроны. Двойной слой считается прочным, если падение потенциала внутри слоя превышает эквивалентную тепловую энергию компонентов плазмы.^[6]
• Релятивистский или же нерелятивистский двойные слои.^[7] Двойной слой называется релятивистский если падение потенциала внутри слоя сопоставимо с масса покоя энергия (~ 512КэВ) электрона. Двойные слои такой энергии обнаруживаются в лабораторных экспериментах. Плотность заряда низкая между двумя противоположными областями потенциала, а двойной слой аналогичен распределению заряда в конденсатор в этом отношении.
• Токопроводящие двойные слои Эти двойные слои могут создаваться управляемыми током плазменными неустойчивостями, которые усиливают изменения плотности плазмы. Одним из примеров такой нестабильности является Неустойчивость Фарли – Бунемана, который происходит, когда скорость потока электронов (в основном плотность тока, деленная на плотность электронов) превышает тепловую скорость электронов в плазме. Это происходит в столкновительной плазме с нейтральным компонентом и вызывается дрейфовыми токами.^{[нужна цитата ]}
• Бестоковые двойные слои Они возникают на границе между областями плазмы с разными свойствами плазмы. Плазма может иметь более высокую температуру электронов и тепловую скорость на одной стороне пограничного слоя, чем на другой. То же самое может относиться к плотности плазмы. Обмен заряженными частицами между областями может способствовать поддержанию разницы потенциалов между ними локально. Общая плотность заряда, как и во всех двойных слоях, будет нейтральной.

Потенциальный дисбаланс будет нейтрализован электроном (1 и 3) и ион (2 и 4) миграция, если только потенциальная градиенты поддерживаются внешним источником энергии. В большинстве лабораторных ситуаций, в отличие от космическое пространство В условиях двойного слоя заряженные частицы могут эффективно образовываться в результате ионизации на анод или же катод, и быть поддержанным.

На рисунке показано локализованное возмущение потенциала, создаваемое идеализированным двойным слоем, состоящим из двух противоположно заряженных дисков. На расстоянии от двойного слоя во всех направлениях возмущение равно нулю.^[8]

Если падающая заряженная частица, такая как высыпающийся авроральный электрон, встречает такую ​​статическую или квазистатическую структуру в магнитосфере, при условии, что энергия частицы превышает половину разности электрических потенциалов в двойном слое, она пройдет без какого-либо чистого изменения энергии. . Падающие частицы с меньшей энергией также не будут испытывать чистого изменения энергии, но будут претерпевать большее общее отклонение.

Можно выделить четыре отдельные области двойного слоя, которые влияют на заряженные частицы, проходящие через него или внутри него:

1. Положительная потенциальная сторона двойного слоя, где электроны ускоряются по направлению к нему;
2. Положительный потенциал в двойном слое, где электроны замедляются;
3. Отрицательный потенциал в двойном слое, где электроны тормозятся; и
4. Сторона с отрицательным потенциалом двойного слоя, где ускоряются электроны.

Двойные слои будут иметь тенденцию быть временными в магнитосфере, поскольку любой дисбаланс зарядов будет нейтрализован, если не будет постоянного внешнего источника энергии для их поддержания, как в лабораторных условиях.

Механизмы формирования

Детали механизма образования зависят от среды плазмы (например, двойные слои в лаборатории, ионосфера, Солнечный ветер, термоядерная реакция, так далее.). Предлагаемые механизмы их образования включали:

• 1971: Между плазмой разных температур^[9][10]
• 1976: В лабораторной плазме^[11]
• 1982: Срыв нейтрального текущий лист^[12]
• 1983: Инжекция ненейтрального электронного тока в холодную плазму^[13]
• 1985: Увеличение плотности тока в плазме^[14]
• 1986: В аккреционной колонне нейтронной звезды^[15]
• 1986: Пинчем в областях космической плазмы^[16]
• 1987: В плазме, сдерживаемой магнитным зеркалом^[17]
• 1988: Электрический разряд^[18]
• 1988: Нестабильности, вызванные током (сильные двойные слои)^[19]
• 1988: Электронные лучи, выброшенные космическим аппаратом^[20]
• 1989: От ударных волн в плазме^[21]
• 2000: Лазерное излучение^[22]
• 2002: Когда продольные токи магнитного поля встречаются с полостями плотности^[23]
• 2003: По падению плазмы на темную сторону поверхности Луны. Смотрите картинку.

Особенности и характеристики

В Луна. Предсказание двойного лунного слоя^[24] был подтвержден в 2003 году.^[25] В тени Луна отрицательно заряжается в межпланетной среде.^[26]

• Толщина: Для производства двойного слоя требуются области со значительным избытком положительного или отрицательного заряда, то есть там, где квазинейтральность нарушается. Вообще говоря, квазинейтральность может быть нарушена только в масштабах Длина Дебая. Толщина двойного слоя составляет порядка десяти длин Дебая, что составляет несколько сантиметров в ионосфера, несколько десятков метров в межпланетная среда, и десятки километров в межгалактическая среда.^{[нужна цитата ]}
• Распределение электростатического потенциала: Как описано выше в разделе «Классификация двойного слоя», в двойном слое фактически есть четыре отдельных участка, в которых поступающие заряженные частицы будут ускоряться или замедляться по своей траектории. Внутри двойного слоя два противоположных распределения заряда будут нейтрализованы внутренним движением заряженных частиц.
• Поток частиц: Для нерелятивистских токоведущих двойных слоев электроны несут большую часть тока. Условие Ленгмюра гласит, что отношение электронного и ионного тока через слой дается квадратным корнем из отношения масс ионов к электронам.^[27] Для релятивистских двойных слоев коэффициент тока равен 1; т.е. ток в равной степени переносится электронами и ионами.
• Энергоснабжение: Мгновенное падение напряжения на двойном токопроводящем слое пропорционально общему току и аналогично падению на резистивном элементе (или нагрузке), который рассеивает энергию в электрической цепи. Двойной слой не может сам по себе обеспечивать чистую энергию.
• Стабильность: Двойные слои в лабораторной плазме могут быть стабильными или нестабильными в зависимости от режима параметров.^[28] Возможны различные типы нестабильности, часто возникающие из-за образования балки ионов и электронов. Неустойчивые двойные слои шумный в том смысле, что они создают колебания в широком диапазоне частот. Отсутствие стабильности плазмы также может привести к внезапному изменению конфигурации, часто называемому взрыв (и поэтому взрывающийся двойной слой). В одном примере область, заключенная в двойной слой, быстро расширяется и эволюционирует.^[29] An взрыв этого типа был впервые обнаружен в ртутные дуговые выпрямители используется в мощных линиях передачи постоянного тока, где падение напряжения на устройстве увеличивается на несколько порядков. Двойные слои также могут дрейфовать, обычно в направлении испускаемого электронный луч, и в этом отношении являются естественными аналогами гладкоствольного магнетрон^[30]
• Магнитная плазма: Двойные слои могут образовываться как в намагниченной, так и в немагнитной плазме.
• Клеточная природа: Хотя двойные слои относительно тонкие, они растекаются по всей поперечной поверхности лабораторного контейнера. Точно так же, если соседние области плазмы имеют разные свойства, образуются двойные слои, которые стремятся к клеточному образованию различных областей.^[31]

Двигатель Холла. Электрические поля, используемые в плазменных двигателях (в частности, Двухслойный двигатель Helicon ) может быть в виде двойных слоев.^[32]

• Передача энергии: Двойные слои могут способствовать преобразованию электрической энергии в кинетическую, dW / dt = I • ΔV, где I - электрический ток, рассеивающий энергию в двойном слое с падением напряжения ΔV. Альфвен указывает, что ток вполне может состоять исключительно из частиц низкой энергии.^[33] Торвен и другие. постулируют, что плазма может спонтанно преобразовывать накопленную в магнитном поле энергию в кинетическую энергию двойными электрическими слоями.^[34] Однако не было представлено надежного механизма для производства таких двойных слоев. Ионные двигатели могут обеспечить более прямой случай передачи энергии от противоположных потенциалов в виде двойных слоев, создаваемых внешним электрическим полем.
• Косой двойной слой: Наклонный двойной слой имеет электрические поля, не параллельные окружающему магнитному полю; то есть он не выравнивается по полю.
• Моделирование: Двойные слои могут быть смоделированы с использованием кинетических компьютерных моделей, таких как моделирование частиц в ячейках (PIC). В некоторых случаях плазма рассматривается как по существу одномерная или двумерная, чтобы снизить вычислительные затраты на моделирование.
• Критерий Бома: Двойной слой не может существовать ни при каких обстоятельствах. Чтобы создать электрическое поле, которое исчезает на границах двойного слоя, критерий существования гласит, что существует максимум температуры окружающей плазмы. Это так называемый критерий Бома.^[35]
• Биофизическая аналогия: Модель двойных слоев плазмы была использована для исследования их применимости к пониманию переноса ионов через мембраны биологических клеток.^[36] Бразильские исследователи отметили, что «такие понятия, как нейтралитет заряда, Длина Дебая, и двухслойный очень полезны для объяснения электрических свойств клеточная мембрана."^[37] Физик плазмы Ханнес Альфвен также отметили, что связь двойных слоев с ячеистой структурой,^[38] как было Ирвинг Ленгмюр до него, который ввел термин «плазма» из-за его сходства с клетками крови.^[39]

История

В плазме с низкой плотностью локализованные области пространственного заряда могут создавать большие потенциальные капли на расстояниях порядка нескольких десятков длин Дебая. Такие регионы получили название электрические двойные слои. Электрический двухслойный представляет собой простейшее распределение пространственного заряда, которое дает падение потенциала в слое и исчезающее электрическое поле с каждой стороны слоя. В лаборатории двойные слои изучаются уже полвека, но их важность в космической плазме не получила всеобщего признания.

— Ханнес Альфвен, ^[40]

Кластер двойных слоев, образующихся в Альфвеновская волна, примерно на шестой расстояния слева. Нажмите, чтобы узнать больше

Еще в 1920-х годах было известно, что плазма имеет ограниченную емкость для текущего обслуживания, Ирвинг Ленгмюр^[41] охарактеризовал двойные слои в лаборатории и назвал эти структуры двойными оболочками. В 1950-х годах в лаборатории началось тщательное изучение двойных слоев.^[42] Многие группы все еще работают над этой темой теоретически, экспериментально и численно. Впервые это было предложено Ханнес Альфвен (разработчик магнитогидродинамики из лабораторных экспериментов), что полярное сияние или северное сияние создается электронами, ускоренными в магнитосфере Земли.^[43] Он предположил, что электроны электростатически ускоряются электрическим полем, локализованным в небольшом объеме, ограниченном двумя заряженными областями, и так называемый двойной слой будет ускорять электроны в направлении Земли. С тех пор другие механизмы, включающие взаимодействия волн и частиц, были предложены как возможные на основе обширных пространственных и временных исследований in situ. полярное сияние характеристики частиц.^[44]

Многие исследования магнитосферы и авроральных областей были выполнены с помощью ракет и спутников. Макилвейн обнаружил во время полета ракеты в 1960 году, что энергетический спектр авроральных электронов имеет пик, который тогда считался слишком резким, чтобы быть произведенным случайным процессом, и, следовательно, предполагал, что это упорядоченный процесс.^[45] В 1977 году сообщалось, что спутники обнаружили характерные черты двойных слоев как электростатические удары в магнитосфере.^[46] показания электрических полей, параллельных силовым линиям геомагнитного поля, были получены спутником Viking,^[47] который измеряет структуры дифференциального потенциала в магнитосфере с помощью датчиков, установленных на стрелах длиной 40 м. Эти датчики измеряли локальную плотность частиц и разность потенциалов между двумя точками, расположенными на расстоянии 80 м друг от друга. Были измерены асимметричные колебания потенциала относительно 0 В, которые интерпретировались как двойной слой с чистым потенциалом внутри области. Двойные слои магнитосферы обычно обладают прочностью ${displaystyle ephi _ {DL} / k_ {B} T_ {e} примерно 0,1}$ (где предполагается, что температура электронов лежит в диапазоне ${displaystyle 2eVleq k_ {B} T_ {e} leq 20eV}$) и поэтому слабые. Ряд таких двойных слоев будет иметь тенденцию сливаться, подобно цепочке стержневых магнитов, и рассеиваться даже в разреженной плазме. Еще предстоит объяснить, как любое общее локализованное распределение заряда в виде двойных слоев может обеспечить источник энергии для авроральных электронов, выбрасываемых в атмосферу.

Толкование БЫСТРЫЙ Данные космического аппарата предполагают наличие сильных двойных слоев в области аврорального ускорения.^[48] О сильных двойных слоях также сообщалось в области нисходящего течения Андерссон и др.^[49] Было установлено, что параллельные электрические поля с амплитудами, достигающими почти 1 В / м, ограничиваются тонким слоем примерно 10 дебаевских длин. Утверждается, что структуры двигались «примерно с ионно-акустической скоростью в направлении ускоренных электронов, т. Е. Против Земли». Это поднимает вопрос о том, какую роль, если таковые имеются, могут играть двойные слои в ускорении авроральных электронов, которые являются выпал вниз в атмосферу из магнитосферы.^[50]

Возможная роль самих электронов с энергией 1-10 кэВ, генерирующих наблюдаемые двойные слои или электрические поля, редко рассматривалась или анализировалась. Точно так же общий вопрос о том, как такие двойные слои могут быть созданы из альтернативного источника энергии или каким пространственным распределением электрического заряда может быть изменение чистой энергии, редко рассматривается. В лабораторных условиях доступен внешний источник питания.

В лаборатории двойные слои можно создавать на разных устройствах. Они исследуются в двойных плазменных машинах, тройных плазменных машинах и Q-машины. Стационарные потенциальные структуры, которые можно измерить в этих машинах, очень хорошо согласуются с тем, что можно было бы ожидать теоретически. Пример лабораторного двойного слоя можно увидеть на рисунке ниже, взятом из работы Торвена и Линдберга (1980), где мы можем увидеть, насколько четко определено и ограничено падение потенциала двойного слоя в двойной плазменной машине. интересные аспекты эксперимента Торвена и Линдберга (1980)^[51] заключается в том, что они не только измерили структуру потенциала в двойной плазменной машине, но также обнаружили высокочастотные флуктуирующие электрические поля на стороне высокого потенциала двойного слоя (также показанной на рисунке). Эти флуктуации, вероятно, связаны с взаимодействием пучка с плазмой вне двойного слоя, которое вызывает турбулентность плазмы. Их наблюдения согласуются с экспериментами Volwerk (1993) по электромагнитному излучению, испускаемому двойными слоями в двойной плазменной машине,^[52] который, однако, также наблюдал излучение от самого двойного слоя.

Мощность этих флуктуаций имеет максимум около плазменной частоты окружающей плазмы. Позже сообщалось, что электростатические высокочастотные флуктуации вблизи двойного слоя могут быть сосредоточены в узкой области, иногда называемой ВЧ-спайком.^[53] Впоследствии было замечено, что как радиоизлучение, близкое к плазменной частоте, так и свистящие волны на гораздо более низких частотах, исходят из этой области.^[54] Подобные свистовые волновые структуры наблюдались вместе с электронными пучками вблизи спутника Сатурна. Энцелад,^[55] предполагая возможное наличие двойного слоя на меньшей высоте.

Недавнее развитие лабораторных экспериментов с двойным слоем - это исследование так называемых ступенчатых двойных слоев. Было замечено, что падение потенциала в плазменном столбе можно разделить на разные части. Переходы из одинарного двойного слоя в двух-, трех- и более ступенчатые двойные слои очень чувствительны к граничным условиям плазмы.^{[56][цитата не найдена ]}

В отличие от экспериментов в лаборатории, концепция таких двойных слоев в магнитосфере и любая их роль в создании полярного сияния страдает от того, что до сих пор не было идентифицированного устойчивого источника энергии. Однако электрический потенциал, характерный для двойных слоев, может указывать на то, что те, что наблюдаются в авроральной зоне, являются вторичным продуктом высыпания электронов, которые были возбуждены другими способами, например, электростатическими волнами. Некоторые ученые предположили роль двойных слоев в солнечных вспышках.^[57][58] Косвенное установление такой роли еще труднее проверить, чем постулирование двойных слоев как ускорителей авроральных электронов в магнитосфере Земли. Даже там поднимались серьезные вопросы об их роли.^[59]

Смотрите также

• Список статей по плазме (физике)

Сноски

внешняя ссылка

• Блок, Л. П. (1978). «Двухслойный обзор (статья, посвященная профессору Ханнесу Альвену по случаю его 70-летия, 30 мая 1978 г.)». Астрофизика и космическая наука. 55 (1): 59. Bibcode:1978Ap & SS..55 ... 59B. Дои:10.1007 / BF00642580. S2CID  122977170.
• Raadu, M. A .; Карлквист П. (1981). «Двойные электростатические слои и процесс вакуумирования плазмы». Астрофизика и космическая наука. 74 (1): 189. Bibcode:1981Ap & SS..74..189R. Дои:10.1007 / BF00642091. S2CID  123134001.
• Карлквист П. (1982). «О физике релятивистских двойных слоев». Астрофизика и космическая наука. 87 (1–2): 21–39. Bibcode:1982Ap & SS..87 ... 21C. Дои:10.1007 / BF00648904. S2CID  123205274.
• Смит, Р. А. (1985). «О роли двойных слоев в астрофизической плазме». Неустойчивые системы тока и неустойчивости плазмы в астрофизике. 107: 113–123. Bibcode:1985IAUS..107..113S. Дои:10.1007/978-94-009-6520-1_9. ISBN  978-90-277-1887-7.
• Raadu, Michael A .; Расмуссен, Дж. Юул (1988). «Динамические аспекты двойных электростатических слоев». Астрофизика и космическая наука. 144 (1–2): 43. Bibcode:1988Ap и SS.144 ... 43R. Дои:10.1007 / BF00793172 (неактивно 2020-10-17).CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на октябрь 2020 г. (связь)
• Theisen, W. L .; Карпентер, Р. Т .; Мерлино, Р. Л. (1994). «Нитевидные двойные слои» (PDF). Физика плазмы. 1 (5): 1345–1348. Bibcode:1994ФПЛ .... 1.1345Т. Дои:10.1063/1.870733.
• Рааду, Майкл А. (1994). «Энергосбережение в двойных слоях». Обзоры космической науки. 68 (1–4): 29–38. Bibcode:1994ССРв ... 68 ... 29Р. Дои:10.1007 / BF00749114. S2CID  189777772.
• Халтквист, Бенгт; Лундин, Рикард (1988). «Параллельные электрические поля, ускоряющие ионы и электроны в одном направлении». Астрофизика и космическая наука. 144 (1–2): 149. Bibcode:1988Ap & SS.144..149H. Дои:10.1007 / BF00793178 (неактивно 2020-10-17).CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на октябрь 2020 г. (связь)
• Ergun, R.E .; Andersson, L .; Main, D .; Su, Y.-J .; Newman, D. L .; Goldman, M. V .; Carlson, C.W .; McFadden, J. P .; Мозер, Ф. С. (2002). «Параллельные электрические поля в области восходящего течения полярного сияния: численные решения» (PDF). Физика плазмы. 9 (9): 3695–3704. Bibcode:2002ФПЛ .... 9.3695E. Дои:10.1063/1.1499121.
• Численное моделирование плазмы низкого давления: приложения к двойным электрическим слоям (2006, PDF), А. Мейдж, кандидатская диссертация

Рекомендации

• Альфвен, Х., К теории магнитных бурь и полярных сияний, Tellus, 10, 104, 1958.
• Ператт, А., Физика плазменной Вселенной, 1991
• Рааду М., А., Физика двойных слоев и их роль в астрофизике, Physics Reports, 178, 25–97, 1989.