Двойной слой (физика плазмы)

редактировать

A двойной слой представляет собой структуру в плазме состоящий из двух параллельных слоев с противоположным электрическим зарядом. Слои заряда, которые не обязательно являются плоскими, создают локальные отклонения электрического потенциала, что приводит к относительно сильному электрическому полю между слоями и более слабым, но более обширным компенсирующим полям снаружи, которые восстанавливают глобальный потенциал. Ионы и электроны в двойном слое ускоряются, замедляются или отклоняются электрическим полем в зависимости от направления их движения.

Двойные слои могут быть созданы в газоразрядных трубках, где внутри слоя обеспечивается постоянная энергия для ускорения электронов внешним источником энергии. Утверждается, что двойные слои наблюдались в полярном сиянии и используются в астрофизических приложениях. 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 они очень тонкие (обычно десять длин Дебая ) по сравнению с размерами плазмы, которая их содержит. Другие названия двойного слоя - электростатический двойной слой, двойной электрический слой, двойные слои плазмы. Термин «электростатический удар» в магнитосфере был применен к электрическим полям, ориентированным под наклонным углом к магнитному полю таким образом, что перпендикулярное электрическое поле намного сильнее, чем параллельное электрическое поле. В лазерной физике двойной слой иногда называют амбиполярным электрическим полем.

Двойные слои концептуально связаны с концепцией «оболочки» (см. оболочка Дебая ). Ранний обзор двойных слоев из лабораторных экспериментов и моделирования предоставлен Торвеном.

Содержание

1 Классификация
- 1.1 Механизмы образования
2 Особенности и характеристики
3 История
4 См. Также
5 Сноски
6 Внешние ссылки
7 Ссылки

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:

Слабые и сильные двойные слои. Прочность двойного слоя выражается как отношение падения потенциала по сравнению с эквивалентной тепловой энергией плазмы или по сравнению с энергией массы покоя. электронов. Двойной слой считается прочным, если падение потенциала внутри слоя превышает эквивалентную тепловую энергию компонентов плазмы.
Релятивистские или нерелятивистские двойные слои. Двойной слой называется релятивистским, если падение потенциала внутри слоя сравнимо с энергией массы покоя (~ 512 кэВ) электрона. Двойные слои такой энергии обнаруживаются в лабораторных экспериментах. Плотность заряда низкая между двумя противоположными областями потенциала, и двойной слой аналогичен распределению заряда в конденсаторе в этом отношении.
Двойные слои с током Эти двойные слои могут образовываться из-за токовых плазменных неустойчивостей, которые усиливают изменения плотности плазмы. Одним из примеров этих нестабильностей является неустойчивость Фарли – Бунемана, которая возникает, когда скорость потока электронов (в основном плотность тока, деленная на плотность электронов) превышает тепловую скорость электронов в плазме. Это происходит в плазме столкновений с нейтральным компонентом и вызывается дрейфовыми токами.
Бестоковые двойные слои. Они возникают на границе между областями плазмы с различными 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 миграцией электронов (1 и 3) и ионов (2 и 4), если только градиенты потенциала поддерживаются внешним источником энергии. В большинстве лабораторных ситуаций, в отличие от условий космического пространства, заряженные частицы могут эффективно возникать внутри двойного слоя за счет ионизации на аноде или катоде и удерживаться.

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

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, он 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:

Сторона с положительным потенциалом двойного слоя, где электроны ускоряются к нему;
Положительный потенциал в двойном слое, где электроны замедляются;
отрицательный потенциал внутри двойного слоя, где электроны тормозятся; и
сторона с отрицательным потенциалом двойного слоя, на которой ускоряются электроны.

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

Механизмы образования

Детали механизма образования зависят от окружающей среды плазмы (например, двойные слои в лаборатории, ионосфера, солнечный ветер, ядерный синтез и др.). Предлагаемые механизмы их образования включают:

1971: Между плазмой с разными температурами
1976: В лабораторной плазме
1982: Нарушение нейтрального токового слоя
1983 : Инжекция ненейтрального электронного тока в холодную плазму
1985: увеличение плотности тока в плазме
1986: в аккреционной колонне нейтронной звезды
1986 : Пинчем в областях космической плазмы
1987: в плазме, ограниченной магнитным зеркалом
1988: электрическим разрядом
1988: нестабильности, вызванные током (сильная двойная слоев)
1988: Электронные лучи, выброшенные космическим аппаратом
1989: От ударных волн в плазме
2000: Лазерное излучение
2002: Когда магнитное поле -выровненные токи сталкиваются с полостями плотности
2003: Падением плазмы на темную сторону поверхности Луны. См. Рисунок.

Особенности и характеристики

Луна. В 2003 году подтвердилось предсказание о двойном лунном слое. В тени Луна отрицательно заряжается в межпланетной среде.

Толщина : для изготовления двойного слоя требуются области со значительным избытком положительного или отрицательного заряда, то есть там, где квазинейтральность нарушается. В общем, квазинейтральность может быть нарушена только в масштабах длины Дебая. Толщина двойного слоя составляет порядка десяти дебаевских длин, что составляет несколько сантиметров в ионосфере, несколько десятков метров в межпланетной среде и десятки километров. в межгалактической среде.
Распределение электростатического потенциала : Как описано выше при классификации двойного слоя, в двойном слое фактически есть четыре различных области, в которых поступающие заряженные частицы будут ускоряться или замедляться вдоль своей траектории. Внутри двойного слоя два противоположных распределения заряда будут стремиться нейтрализоваться 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. Для релятивистских двойных слоев коэффициент тока равен 1; т.е. ток в равной степени переносится электронами и ионами.
Источник энергии : мгновенное падение напряжения на двойном токонесущем слое пропорционально общему току и аналогично падению на резистивном элементе (или нагрузке), который рассеивает энергию в электрической цепи. Двойной слой не может обеспечивать чистую энергию сам по себе.
Стабильность : Двойные слои в лабораторной плазме могут быть стабильными или нестабильными в зависимости от режима параметров. Могут возникать различные типы нестабильности, часто возникающие из-за формирования пучков ионов и электронов. Нестабильные двойные слои зашумлены в том смысле, что они создают колебания в широкой полосе частот. Отсутствие стабильности плазмы также может привести к внезапному изменению конфигурации, часто называемому взрывом (и, следовательно, взрывом двойного слоя). В одном примере область, заключенная в двойной слой, быстро расширяется и эволюционирует. взрыв этого типа был впервые обнаружен в ртутных дуговых выпрямителях, используемых в мощных линиях электропередачи постоянного тока, где падение напряжения на устройстве увеличивалось на несколько порядков. величина. Двойные слои также могут дрейфовать, обычно в направлении испускаемого электронного пучка, и в этом отношении являются естественными аналогами гладкоствольного магнетрона
намагниченной плазмы : двойные слои могут образуются как в намагниченной, так и в немагнитной плазме.
Ячеистая природа : Хотя двойные слои относительно тонкие, они распространяются по всей поперечной поверхности лабораторного контейнера. Аналогично, если соседние области плазмы имеют разные свойства, образуются двойные слои, которые стремятся к ячеистому образованию различных областей.

Двигатель малой тяги на эффекте Холла. Электрические поля, используемые в плазменных двигателях (в частности, Helicon Double Layer Thruster ), могут иметь форму двойных слоев.

Передача энергии : Двойные слои могут способствовать передаче электрической энергии в кинетическая энергия, dW / dt = I • ΔV, где I - электрический ток, рассеивающий энергию в двойном слое при падении напряжения ΔV. Альфвен указывает, что ток вполне может состоять исключительно из частиц низкой энергии. Torvén et al. постулируют, что плазма может спонтанно преобразовывать накопленную в магнитном поле энергию в кинетическую энергию двойными электрическими слоями. 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.
Наклонный двойной слой : Наклонный двойной слой имеет электрические поля, которые не параллельны окружающее магнитное поле; т.е. он не выровнен 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.
Биофизическая аналогия : Модель двойных слоев плазмы была использована для исследования их применимости для понимания переноса ионов через мембраны биологических клеток. Бразильские исследователи отметили, что «такие понятия, как зарядовая нейтральность, длина Дебая и двойной слой, очень полезны для объяснения электрических свойств клеточной мембраны ». Физик плазмы Ханнес Альфвен также отметил эту связь двойных слоев с клеточной структурой, как и Ирвинг Ленгмюр до него, который ввел термин «плазма» после его сходства с клетками крови

История

В плазме с низкой плотностью локализованные области пространственного заряда могут создавать большие перепады потенциала на расстояниях порядка нескольких десятков длин Дебая. Такие области получили название двойных электрических слоев. Электрический двойной слой - это простейшее распределение пространственного заряда, которое дает падение потенциала в слое и исчезающее электрическое поле на каждой стороне слоя. В лаборатории двойные слои изучались уже полвека, но их важность в космической плазме не получила всеобщего признания.

— Ханнес Альфвен,

Кластер двойных слоев, образующийся альфвеновской волной, примерно на шестой расстояния слева. Щелкните для получения более подробной информации

Уже в 20-х годах прошлого века было известно, что плазма имеет ограниченную емкость для текущего обслуживания. Ирвинг Ленгмюр охарактеризовал двойные слои в лаборатории и назвал эти структуры двойными оболочками. В 1950-х годах в лаборатории началось тщательное изучение двойных слоев. Многие группы все еще работают над этой темой теоретически, экспериментально и численно. Впервые было предложено Ханнесом Альфвеном (разработчиком магнитогидродинамики на основе лабораторных экспериментов), что полярное сияние или северное сияние создается электронами, ускоренными в магнитосфере Земли. 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 характеристик авроральных частиц на месте.

Многие исследования магнитосферы и авроральных областей были были сделаны с использованием 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. В 1977 году сообщалось, что спутники обнаружили характерные черты двойных слоев как электростатические удары в магнитосфере. Показания электрических полей, параллельных силовым линиям геомагнитного поля, были получены спутником «Викинг», который измеряет структуры дифференциального потенциала в магнитосфере с помощью датчиков, установленных на штангах 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 имеют прочность $e ϕ DL / k BT e ≈ 0,1 {\ displaystyle e \ phi _ {DL} / k_ {B} T_ {e} \ приблизительно 0,1}$ $e \ phi _ {{DL} } / k_ {B} T_ {e} \ приблизительно 0,1$ (где предполагается, что температура электронов находится в диапазоне $2 e V ≤ k BT e ≤ 20 e V {\ displaystyle 2eV \ leq k_ {B} T_ {e} \ leq 20eV}$ $2eV \ leq k_ {B} T_ {e} \ leq 20eV$ ) 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.

Интерпретация данных космического аппарата FAST позволила предположить наличие сильных двойных слоев в области аврорального ускорения. О сильных двойных слоях также сообщалось в области нисходящего течения Андерссон и др. 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 осаждаются вниз в атмосферу из магнитосферы.

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

В лаборатории двойные слои могут быть созданы на различных устройствах. Они исследуются в двойных плазменных машинах, тройных плазменных машинах и Q-машинах. 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. Одним из интересных аспектов эксперимента Торвена и Линдберга (1980) является то, 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 показано на рисунке). Эти флуктуации, вероятно, связаны с взаимодействием пучка с плазмой вне двойного слоя, которое вызывает турбулентность плазмы. Их наблюдения согласуются с экспериментами Волверка (1993) по электромагнитному излучению, испускаемому двойными слоями в двойной плазменной машине, который, однако, также наблюдал излучение самого двойного слоя.

Мощность этих колебаний 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. Впоследствии было замечено, что как радиоизлучение, близкое к плазменной частоте, так и свистящие волны на гораздо более низких частотах, исходят из этой области. Подобные свистовые волновые структуры наблюдались вместе с электронными лучами вблизи спутника Сатурна Энцелада, что указывает на возможное присутствие двойного слоя на более низкой высоте.

Недавним достижением в лабораторных экспериментах с двойным слоем является 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- или более ступенчатые двойные слои сильно зависят от граничных условий плазмы.

В отличие от экспериментов в лаборатории, концепция таких двойных слоев в Магнитосфера и любая роль в создании полярного сияния страдает от того, что до сих пор не было идентифицированного постоянного 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. Косвенное установление такой роли еще труднее проверить, чем постулирование двойных слоев как ускорителей авроральных электронов в магнитосфере Земли. Даже там были подняты серьезные вопросы об их роли.

См. Также

Список статей о плазме (физика)

Сноски

Внешние ссылки

Block, LP (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. doi : 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. doi : 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. doi : 10.1007 / BF00648904. S2CID 123205274.
Smith, R.A. (1985). «О роли двойных слоев в астрофизической плазме». Неустойчивые токовые системы и неустойчивости плазмы в астрофизике. 107 : 113–123. Bibcode : 1985IAUS..107..113S. DOI : 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 SS.144... 43R. doi : 10.1007 / BF00793172 (неактивен 2020-10-17). CS1 maint: DOI неактивен с октября 2020 года (ссылка )
Theisen, WL; Карпентер, RT; Мерлино, RL (1994). «Двойные нитевидные слои» (PDF). Physics of Plasmas. 1 (5): 1345–1348. Bibcode : 1994PhPl.... 1.1345T. doi : 10.1063 / 1.870733.
Рааду, Майкл А. (1994). «Выделение энергии в двойных слоях». Обзоры космической науки. 68 (1–4): 29–38. Bibcode : 1994SSRv... 68... 29R. doi : 10.1007 / BF00749114. S2CID 189777772.
Hultqvist, Bengt; Lundin, Rickard (1988). «Параллельные электрические поля, ускоряющие ионы и электроны в одном направление ". Астрофизика и космическая наука. 144 (1-2): 149. Bibcode : 1988Ap SS.144..149H. doi : 10.1007 / BF00793178 (неактивен 2020-10-17). CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на октябрь 2020 г. (ссылка )
Ergun, RE; Andersson, L.; Main, D.; Su, Y.-J.; Newman, DL; Goldman, M. V.; Carlson, C.W.; McFadden, J. P.; Мозер, Ф. С. (2002). «Параллельные электрические поля в восходящей токовой области полярного сияния: численные решения» (PDF). Физика плазмы. 9 (9): 3695–3704. Bibcode : 2002PhPl.... 9.3695E. doi : 10.1063 / 1.1499121.
Численное моделирование плазмы низкого давления: приложения к двойным электрическим слоям (2006, PDF), A. Meige, PhD диссертация

Ссылки

Альфвен, Х., К теории магнитных бурь и полярных сияний, Теллус, 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.