Dvojitá vrstva (fyzika plazmy) - Double layer (plasma physics)

Dvouvrstvý je struktura v plazmě sestávající ze dvou rovnoběžných vrstev opačného elektrického náboje. Listy náboje, které nemusí být nutně rovinné, produkují lokalizované odchylky elektrického potenciálu , což má za následek relativně silné elektrické pole mezi vrstvami a slabší, ale rozsáhlejší kompenzační pole venku, která obnovují globální potenciál. Ionty a elektrony v dvojité vrstvě jsou v závislosti na směru pohybu urychlovány, zpomalovány nebo vychýleny elektrickým polem.

Dvojité vrstvy mohou být vytvořeny ve výbojkách , kde je ve vrstvě poskytována trvalá energie pro urychlení elektronů externím zdrojem energie. O dvojitých vrstvách se tvrdí, že byly pozorovány v polární záři a jsou vyvolávány v astrofyzikálních aplikacích. Podobně dvojitá vrstva v polární oblasti vyžaduje nějaký externí ovladač k produkci elektronové akcelerace.

Elektrostatické dvojité vrstvy jsou obzvláště běžné u proudových plazmatů a jsou velmi tenké (obvykle desítky délek Debye ) ve srovnání s velikostmi plazmatů, které je obsahují. Další názvy pro dvojitou vrstvu jsou elektrostatické dvojvrstvy, elektrické dvojvrstvy, plazmové dvojvrstvy. Termín 'elektrostatický šok' v magnetosféře byl aplikován na elektrická pole orientovaná v šikmém úhlu k magnetickému poli takovým způsobem, že kolmé elektrické pole je mnohem silnější než paralelní elektrické pole. V laserové fyzice je dvojitá vrstva někdy se nazývá ambipolární elektrické pole.

Dvojité vrstvy koncepčně souvisejí s konceptem „pláště“ ( viz Debyeův plášť ). Časný přehled dvojitých vrstev z laboratorních experimentů a simulací poskytuje Torvén.

Klasifikace

Tvorba dvojité vrstvy. Tvorba dvojité vrstvy vyžaduje, aby se elektrony pohybovaly mezi dvěma sousedními oblastmi (obrázek 1, nahoře), což způsobilo oddělení náboje. Může dojít k nerovnováze elektrostatického potenciálu (obrázek 2, dole)

Dvojité vrstvy lze klasifikovat následujícími způsoby:

  • Slabé a silné dvojité vrstvy. Síla dvojité vrstvy je vyjádřena jako poměr potenciálního poklesu ve srovnání s ekvivalentní tepelnou energií plazmy nebo ve srovnání s energií zbytkové hmotnosti elektronů . Dvojitá vrstva je údajně silná, pokud je potenciální pokles ve vrstvě větší než ekvivalentní tepelná energie složek plazmy.
  • Relativistické nebo nerelativistické dvojité vrstvy. Dvojitá vrstva je považována za relativistickou, pokud je pokles potenciálu uvnitř vrstvy srovnatelný s energií zbytkové hmotnosti (~ 512 KeV) elektronu. Dvojité vrstvy takové energie lze nalézt v laboratorních experimentech. Hustota náboje je mezi dvěma protilehlými potenciálními oblastmi nízká a dvojitá vrstva je v tomto ohledu podobná distribuci náboje v kondenzátoru .
  • Dvojité vrstvy nesoucí proud Tyto dvojité vrstvy mohou být generovány nestabilitou plazmatu poháněnou proudem, která zesiluje variace hustoty plazmy. Jedním příkladem těchto nestabilit je Farley -Bunemanova nestabilita , ke které dochází, když rychlost proudění elektronů (v podstatě aktuální hustota dělená elektronovou hustotou) překročí elektronovou tepelnou rychlost plazmy. Vyskytuje se v kolizních plazmech s neutrální složkou a je poháněn driftovými proudy.
  • Bezproudé dvojité vrstvy Vyskytují se na hranici mezi oblastmi plazmy s různými vlastnostmi plazmy. Plazma může mít na jedné straně mezní vrstvy vyšší teplotu elektronů a tepelnou rychlost než na druhé. Totéž může platit pro hustoty plazmy. Nabité částice vyměněné mezi oblastmi mohou umožnit lokální udržování potenciálních rozdílů mezi nimi. Celková hustota náboje, jako ve všech dvojitých vrstvách, bude neutrální.

Potenciální nerovnováha bude neutralizována migrací elektronů (1 a 3) a iontů (2 a 4), pokud nejsou potenciální gradienty udržovány externím zdrojem energie. Ve většině laboratorních situací, na rozdíl od vesmírných podmínek, mohou nabité částice účinně pocházet z dvojité vrstvy ionizací na anodě nebo katodě a mohou být udržovány.

Obrázek ukazuje lokalizovanou poruchu potenciálu produkovanou idealizovanou dvojitou vrstvou skládající se ze dvou opačně nabitých disků. Porucha je nulová ve vzdálenosti od dvojité vrstvy v každém směru.

Pokud dopadající nabitá částice, například srážející aurorální elektron, narazí v magnetosféře na takovou statickou nebo kvazistatickou strukturu, za předpokladu, že energie částic překročí polovinu rozdílu elektrického potenciálu v dvojité vrstvě, projde skrz bez jakékoli čisté změny energie . U dopadajících částic s méně energií než u této dojde rovněž k žádné čisté změně energie, ale dojde k větší celkové výchylce.

DL Surface Plot.jpg

Lze identifikovat čtyři odlišné oblasti dvojité vrstvy, které ovlivňují nabité částice procházející skrz ni nebo v ní:

  1. Pozitivní potenciální strana dvojité vrstvy, kde jsou elektrony zrychleny směrem k ní;
  2. Pozitivní potenciál ve dvojité vrstvě, kde jsou elektrony zpomaleny;
  3. Negativní potenciál v dvojité vrstvě, kde jsou elektrony zpomaleny; a
  4. Negativní potenciální strana dvojité vrstvy, kde se urychlují elektrony.

Dvojité vrstvy budou mít v magnetosféře tendenci být přechodné, protože jakákoli nerovnováha náboje bude neutralizována, pokud nebude existovat trvalý externí zdroj energie, který by je udržoval, jak je tomu v laboratorních podmínkách.

Mechanismy vzniku

Podrobnosti mechanismu vzniku závisí na prostředí plazmatu (např. Dvojité vrstvy v laboratoři, ionosféra , sluneční vítr , jaderná fúze atd.). Navrhované mechanismy pro jejich tvorbu zahrnovaly:

  • 1971: Mezi plazmy různých teplot
  • 1976: V laboratorních plazmatech
  • 1982: Narušení listu neutrálního proudu
  • 1983: Injekce neneutrálního elektronového proudu do studeného plazmatu
  • 1985: Zvýšení proudové hustoty v plazmě
  • 1986: V akrečním sloupci neutronové hvězdy
  • 1986: Štípnutím v oblastech kosmického plazmatu
  • 1987: V plazmě omezené magnetickým zrcadlem
  • 1988: Elektrickým výbojem
  • 1988: Nestability řízené proudem (silné dvojité vrstvy)
  • 1988: Elektronové paprsky vysunuté kosmickou lodí
  • 1989: Z rázových vln v plazmě
  • 2000: Laserové záření
  • 2002: Když se proudy zarovnané magnetickým polem setkají s hustotními dutinami
  • 2003: Výskytem plazmy na temné straně povrchu Měsíce. Viz obrázek.

Vlastnosti a vlastnosti

Moon. Predikce lunární dvojvrstvy byla potvrzena v roce 2003. Ve stínu se Měsíc v meziplanetárním médiu nabíjí negativně.
  • Tloušťka : Produkce dvojité vrstvy vyžaduje oblasti s výrazným přebytkem kladného nebo záporného náboje, tj. Tam, kde je porušena kvazi neutralita . Kvazi neutralita může být obecně narušena pouze na stupnicích délky Debye . Tloušťka dvojité vrstvy je řádově deset délek Debye, což je několik centimetrů v ionosféře , několik desítek metrů v meziplanetárním prostředí a desítky kilometrů v mezigalaktickém prostředí .
  • Distribuce elektrostatického potenciálu : Jak je popsáno výše v klasifikaci dvouvrstvých vrstev, ve skutečnosti existují čtyři odlišné oblasti dvojité vrstvy, kde budou příchozí nabité částice urychlovány nebo zpomalovány podél jejich trajektorie. Uvnitř dvojité vrstvy budou mít dvě protichůdné distribuce náboje tendenci být neutralizovány vnitřním pohybem nabitých částic.
  • Tok částic : U nerelativistických proudů nesoucích dvojité vrstvy nesou elektrony většinu proudu. Langmuirova podmínka uvádí, že poměr elektronu a iontového proudu přes vrstvu je dán druhou odmocninou hmotnostního poměru iontů k elektronům. Pro relativistické dvojité vrstvy je aktuální poměr 1; tj. proud je nesen rovnoměrně elektrony a ionty.
  • Dodávka energie : Okamžitý pokles napětí na dvojité vrstvě nesoucí proud je úměrný celkovému proudu a je podobný tomu na odporovém prvku (nebo zátěži), který rozptyluje energii v elektrickém obvodu. Dvojitá vrstva sama o sobě nedokáže dodat čistou energii.
  • Stabilita : Dvojité vrstvy v laboratorních plazmech mohou být stabilní nebo nestabilní v závislosti na režimu parametrů. Mohou nastat různé typy nestabilit, často vznikající v důsledku vytváření svazků iontů a elektronů. Nestabilní dvojité vrstvy jsou hlučné v tom smyslu, že vytvářejí oscilace v širokém frekvenčním pásmu. Nedostatek stability plazmy může také vést k náhlé změně konfigurace, která se často označuje jako exploze (a tedy explodující dvojitá vrstva ). V jednom příkladu se oblast uzavřená ve dvojité vrstvě rychle rozšiřuje a vyvíjí. Exploze tohoto typu byl poprvé objeven v roce Rtuťové usměrňovače používané ve vysoce výkonných stejnosměrných přenosových linek, kde byl viděn úbytek napětí přes zařízení zvýší o několik řádů. Dvojité vrstvy se mohou také unášet, obvykle ve směru vyzařovaného elektronového paprsku , a v tomto ohledu jsou přirozenými analogy magnetronu s hladkým vývrtem
  • Magnetizované plazmy : V magnetizovaných i nemagnetizovaných plazmatech se mohou tvořit dvojité vrstvy.
  • Buněčná povaha : Zatímco dvojité vrstvy jsou relativně tenké, budou se šířit po celém příčném povrchu laboratorního kontejneru. Podobně tam, kde sousední plazmatické oblasti mají různé vlastnosti, se vytvoří dvojité vrstvy, které mají sklon bunělizovat různé oblasti.
Tryska s Hallovým efektem . Elektrická pole použitá v plazmových tryskách (zejména Helicon Double Layer Thruster ) mohou být ve formě dvojitých vrstev.
  • Přenos energie : Dvojité vrstvy mohou usnadnit přenos elektrické energie na kinetickou energii, dW/dt = I • ΔV kde I je elektrický proud odvádějící energii do dvojité vrstvy s poklesem napětí ΔV. Alfvén poukazuje na to, že proud může dobře sestávat výhradně z nízkoenergetických částic. Torvén a kol. předpokládali, že plazma může spontánně přenášet magneticky uloženou energii na kinetickou energii elektrickými dvojitými vrstvami. Nebyl však předložen žádný věrohodný mechanismus pro výrobu takových dvojitých vrstev. Iontové trysky mohou poskytnout přímější případ přenosu energie z protichůdných potenciálů ve formě dvojitých vrstev produkovaných vnějším elektrickým polem.
  • Šikmá dvojitá vrstva : Šikmá dvojitá vrstva má elektrická pole, která nejsou rovnoběžná s okolním magnetickým polem; tj. není zarovnán na pole.
  • Simulace : Dvojité vrstvy lze modelovat pomocí kinetických počítačových modelů, jako jsou simulace částic v buňce (PIC). V některých případech je plazma považována za v podstatě jednorozměrnou nebo dvourozměrnou, aby se snížily výpočetní náklady simulace.
  • Bohmovo kritérium : Dvojitá vrstva nemůže existovat za všech okolností. Aby se vytvořilo elektrické pole, které mizí na hranicích dvojité vrstvy, kritérium existence říká, že je maximální teplota okolního plazmatu. Toto je takzvané Bohmovo kritérium.
  • Biofyzikální analogie : K prozkoumání jejich použitelnosti pro porozumění transportu iontů přes biologické buněčné membrány byl použit model plazmatických dvojitých vrstev. Brazilští vědci poznamenali, že „pojmy jako neutralita náboje , Debyeova délka a dvojitá vrstva jsou velmi užitečné pro vysvětlení elektrických vlastností buněčné membrány “. Plazmový fyzik Hannes Alfvén také poznamenal, že spojení dvojitých vrstev s buněčnou strukturou, stejně jako před ním Irving Langmuir , který po podobnosti s krvinkami vytvořil termín „plazma“.

Dějiny

V plazmě s nízkou hustotou mohou lokalizované oblasti prostorového náboje vytvářet velké potenciální poklesy na vzdálenosti řádově několik desítek délek Debye. Takové oblasti se nazývaly elektrické dvojité vrstvy . Elektrická dvojitá vrstva je nejjednodušší distribuce prostorového náboje, která dává potenciální pokles ve vrstvě a mizející elektrické pole na každé straně vrstvy. V laboratoři byly dvojité vrstvy studovány půl století, ale jejich význam v kosmických plazmech nebyl obecně uznáván.

Shluk dvojitých vrstev tvořících se ve vlně Alfvén , asi šestinu vzdálenosti zleva. Kliknutím zobrazíte další podrobnosti

Již ve 20. letech 20. století bylo známo, že plazma má omezenou kapacitu pro současnou údržbu, charakterizoval Irving Langmuir v laboratoři dvojité vrstvy a tyto struktury nazýval dvojité pochvy. V padesátých letech minulého století byla v laboratoři zahájena důkladná studie dvojitých vrstev. Mnoho skupin na tomto tématu stále pracuje teoreticky, experimentálně a numericky. Hannes Alfvén (vývojář magnetohydrodynamiky z laboratorních experimentů) poprvé navrhl , že polární světla neboli Aurora Borealis jsou vytvářeny elektrony zrychlenými v magnetosféře Země. Předpokládal, že elektrony jsou elektrostaticky urychlovány elektrickým polem lokalizovaným v malém objemu ohraničeném dvěma nabitými oblastmi a takzvaná dvojitá vrstva urychluje elektrony na Zemi. Od té doby byly další mechanismy zahrnující interakce vln a částic navrženy jako proveditelné z rozsáhlých prostorových a časových in situ studií charakteristik aurorálních částic.

Mnoho zkoumání magnetosféry a polárních oblastí bylo provedeno pomocí raket a satelitů. McIlwain zjistil z raketového letu v roce 1960, že energetické spektrum aurorálních elektronů vykazovalo vrchol, který byl tehdy považován za příliš ostrý na to, aby byl produkován náhodným procesem, a který tedy naznačoval, že za to může uspořádaný proces. V roce 1977 bylo oznámeno, že satelity detekovaly podpis dvojitých vrstev jako elektrostatické šoky v magnetosféře. indikace elektrických polí rovnoběžných s geomagnetickými siločarami byla získána satelitem Viking, který měří struktury diferenciálního potenciálu v magnetosféře pomocí sond namontovaných na 40 m dlouhých výložnících. Tyto sondy měřily místní hustotu částic a potenciální rozdíl mezi dvěma body vzdálenými 80 m. Byly měřeny asymetrické odchylky potenciálu vzhledem k 0 V a interpretovány jako dvojitá vrstva s čistým potenciálem v oblasti. Magnetosférické dvojité vrstvy mají obvykle pevnost (kde se předpokládá, že teplota elektronů leží v rozsahu ), a jsou proto slabé. Série takových dvojitých vrstev by měla tendenci se spojovat, podobně jako řetězec tyčových magnetů, a rozptylovat se, dokonce i ve vzácné plazmě. Je třeba ještě vysvětlit, jak by jakákoli celková lokalizovaná distribuce náboje ve formě dvojitých vrstev mohla poskytnout zdroj energie pro polární elektrony vysrážené do atmosféry.

Interpretace dat kosmické lodi FAST navrhla silné dvojité vrstvy v oblasti aurorální akcelerace. Silné dvojité vrstvy byly také hlášeny v sestupné oblasti Andersson et al. Paralelní elektrická pole s amplitudami dosahujícími téměř 1 V/m byly usuzovány, že jsou omezeny na tenkou vrstvu přibližně 10 délek Debye. Uvádí se, že se struktury pohybovaly „zhruba iontovou akustickou rychlostí ve směru zrychlených elektronů, tj. Proti zemi“. To vyvolává otázku, jakou roli, pokud vůbec nějaké, mohou hrát dvojité vrstvy při zrychlování polárních elektronů, které jsou vysráženy směrem dolů do atmosféry z magnetosféry.

Zřídkakdy byla zvažována nebo analyzována možná role srážení elektronů ze samotných 1-10keV generujících takto pozorované dvojité vrstvy nebo elektrická pole. Stejně málokdy se řeší obecná otázka, jak by takové dvojité vrstvy mohly být generovány z alternativního zdroje energie, nebo jaké by mohlo být prostorové rozložení elektrického náboje k vyvolání změn čisté energie. V laboratorních podmínkách je k dispozici externí napájecí zdroj.

V laboratoři lze v různých zařízeních vytvářet dvojité vrstvy. Jsou vyšetřovány na strojích s dvojitou plazmou, trojitých plazmách a Q-strojích . Stacionární potenciální struktury, které lze na těchto strojích měřit, velmi dobře souhlasí s tím, co by člověk teoreticky očekával. Příklad laboratorní dvojité vrstvy lze vidět na obrázku níže, převzat z Torvéna a Lindberga (1980), kde vidíme, jak dobře definovaný a omezený je potenciální pokles dvojité vrstvy v zařízení s dvojitou plazmou. Jedním ze zajímavých aspektů experimentu Torvéna a Lindberga (1980) je, že nejen změřili potenciální strukturu ve stroji s dvojitou plazmou, ale také našli vysokofrekvenční kolísající elektrická pole na vysokopotenciální straně dvojvrstvy (také znázorněno na obrázku). Tyto fluktuace jsou pravděpodobně důsledkem interakce paprsek-plazma mimo dvojitou vrstvu, která vzrušuje turbulenci plazmy. Jejich pozorování je v souladu s experimenty na elektromagnetickém záření emitovaném dvojitými vrstvami v zařízení s dvojitou plazmou od Volwerka (1993), který však také pozoroval záření ze samotné dvojité vrstvy.

Síla těchto fluktuací má maximum kolem plazmatické frekvence okolního plazmatu. Později bylo oznámeno, že elektrostatické vysokofrekvenční fluktuace v blízkosti dvojité vrstvy mohou být soustředěny v úzké oblasti, někdy nazývané hf-spike. Následně byly z této oblasti vyzařovány jak rádiové emise, blízké plazmové frekvenci, tak i píšťalkové vlny na mnohem nižších frekvencích. Podobné struktury whistlerových vln byly pozorovány společně s elektronovými paprsky poblíž Saturnova měsíce Enceladus , což naznačuje možnou přítomnost dvojité vrstvy v nižší výšce.

Nedávným vývojem experimentů se dvěma vrstvami v laboratoři je zkoumání takzvaných dvojitých vrstev schodiště. Bylo pozorováno, že potenciální pokles v plazmatické koloně lze rozdělit na různé části. Přechody z jedné dvojité vrstvy do dvou, tří nebo vícekrokových dvojitých vrstev jsou silně citlivé na okrajové podmínky plazmy.

Na rozdíl od experimentů v laboratoři, koncept takových dvojitých vrstev v magnetosféře a jakákoli role při vytváření polární záře zde trpí tím, že dosud nebyl identifikován stálý zdroj energie. Charakteristiky elektrického potenciálu dvojitých vrstev však mohou naznačovat, že pozorované v polární zóně jsou sekundárním produktem srážejících se elektronů, které byly napájeny jinými způsoby, například elektrostatickými vlnami. Někteří vědci navrhli roli dvojitých vrstev ve slunečních erupcích. Stanovení takové role nepřímo je ještě těžší ověřit než postulovat dvojité vrstvy jako urychlovače aurorálních elektronů v zemské magnetosféře. I tam byly vzneseny vážné otázky ohledně jejich role.

Viz také

Poznámky pod čarou

externí odkazy

Reference

  • Alfvén, H., O teorii magnetických bouří a polárních září, Tellus, 10, 104, 1958.
  • Peratt, A., Fyzika plazmového vesmíru , 1991
  • Raadu, M., A., Fyzika dvojitých vrstev a jejich role v astrofyzice , Physics Reports, 178, 25–97, 1989.