Пыльная плазма

– Пылевая плазма это плазма, содержащая микрометр (10 ⁻⁶) → нанометр (10 ⁻⁹) взвешенные в нем частицы размера. Частицы пыли заряжены, а плазма и частицы ведут себя как плазма. ^[1]^[2] Частицы пыли могут образовывать более крупные частицы, образуя «зернистую плазму». Из-за дополнительной сложности изучения плазмы с заряженными пылевыми частицами пылевая плазма также известна как сложная плазма . ^[3]^: 2

Пылевая плазма встречается в:

Космическая плазма
Мезосфера Земли ^[4]
Специально разработанные лабораторные эксперименты ^[5]

Пылевая плазма интересна тем, что присутствие частиц существенно меняет равновесие заряженных частиц, что приводит к различным явлениям. Это область текущих исследований. Электростатическая связь между зернами может изменяться в широком диапазоне, так что состояния пылевой плазмы могут меняться от слабосвязанного (газообразного) к кристаллическому. Такая плазма представляет интерес как негамильтонова система взаимодействующих частиц и как средство изучения общей фундаментальной физики самоорганизации , формирования структур, фазовых переходов и масштабирования .

Характеристики

Температура . пыли в плазме может сильно отличаться от температуры окружающей среды Например:

Компонент пылевой плазмы	Температура
Температура пыли	10 К
Молекулярная температура	100 К
Ионная температура	1000 К
Электронная температура	10 000 К

Электрический потенциал частиц пыли обычно составляет 1–10 В (положительный или отрицательный). Потенциал обычно отрицательный, поскольку электроны более подвижны , чем ионы. Физика по существу аналогична физике зонда Ленгмюра , который не потребляет чистый ток, включая образование дебаевской оболочки толщиной в несколько раз больше дебаевской длины . Если электроны, заряжающие пылинки, релятивистские, то пыль может заряжаться до нескольких киловольт. ^[6] Полевая электронная эмиссия , имеющая тенденцию уменьшать отрицательный потенциал, может быть важна из-за небольшого размера частиц. Фотоэлектрический эффект и воздействие положительных ионов действительно могут привести к положительному потенциалу частиц пыли.

Динамика

Интерес к динамике заряженной пыли в плазме усилился после обнаружения спиц в кольцах Сатурна. ^[3] ^: 85 Движение твердых частиц в плазме подчиняется следующему уравнению:

m{\frac {dv}{dt}}=\mathbf {F_{L}} +\mathbf {F_{G}} +\mathbf {F_{P}} +\mathbf {F_{D}} +\mathbf {F_{T}}

где термины обозначают силу Лоренца, гравитационные силы, силы радиационного давления, силы сопротивления и термофоретическую силу соответственно. ^[3]^: 70

Сила Лоренца , вклады электрической и магнитной силы, определяется выражением:

F_{L}=q\left(\mathbf {E} +{\frac {\mathbf {v} }{c}}\times \mathbf {B} \right)

где E — электрическое поле, v — скорость, а B — магнитное поле. ^[3] ^: 71

$\mathbf {F_{g}}$ представляет собой сумму всех гравитационных сил, действующих на частицу пыли, будь то от планет, спутников или других частиц. ^[3]^: 75, 76 и $\mathbf {F_{P}}$ - силовой вклад радиационного давления. Это дается как:

F_{P}={\frac {\pi r_{d}^{2}}{c}}I\mathbf {\hat {e_{i}}}

Направление вектора силы, $\mathbf {\hat {e_{i}}}$ это излучение падающего потока фотонов $I$ . Радиус пылинки равен $r_{d}$ . ^[3]^: 83

Что касается силы сопротивления, интерес представляют два основных компонента: взаимодействия положительных ионов с частицами пыли и взаимодействия нейтральных частиц пыли. ^[3]^: 76 Взаимодействия ионов с пылью далее делятся на три различных взаимодействия: через регулярные столкновения, через модификации дебаевского слоя и через кулоновские столкновения . ^[3]^: 77

Термофоретическая сила — это сила, возникающая в результате результирующего градиента температуры, который может присутствовать в плазме, и последующего дисбаланса давления; вызывая передачу большего чистого импульса от столкновений с определенного направления. ^[3]^: 80

Тогда в зависимости от размера частиц выделяют четыре категории:

Очень мелкие частицы , где $\mathbf {F_{L}}$ доминирует над $\mathbf {F_{G}}$ .
Мелкие зерна , где q/m ≈ √ G , и плазма по-прежнему играют главную роль в динамике.
Крупные зерна , где электромагнитный член незначителен, и частицы называются зернами. Их движение определяется гравитацией и вязкостью.
Крупные твердые тела . В телах сантиметровых и метровых размеров вязкость может вызывать значительные возмущения, способные изменить орбиту. В телах размером в километр (и более) в движении доминируют гравитация и инерция.

Лабораторная пылевая плазма

Пылевая плазма часто изучается в лабораторных установках. Частицы пыли можно выращивать внутри плазмы или микрочастицы вводить . Обычно используется низкотемпературная плазма с низкой степенью ионизации. Тогда микрочастицы становятся доминирующим компонентом в переносе энергии и импульса, и их по существу можно рассматривать как одновидовую систему. Эта система может существовать во всех трех классических фазах : твердой, жидкой и газообразной, и может использоваться для изучения таких эффектов, как кристаллизация, распространение волн и ударных волн, распространение дефектов и т. д.

Когда используются частицы микронного размера, можно наблюдать отдельные частицы. Их движение достаточно медленное, чтобы его можно было наблюдать с помощью обычных камер и изучать кинетику системы. Однако для частиц микрометрового размера гравитация является доминирующей силой, нарушающей систему. Так, эксперименты иногда проводятся в микрогравитации условиях во время параболических полетов или на борту космической станции .

Пыль также играет важную роль в исследованиях термоядерной плазмы . Выработка энергии термоядерного синтеза с магнитным удержанием требует горения плазменных разрядов DT в течение продолжительных периодов времени, как ожидается для ИТЭР и любой пилотной термоядерной установки . Однако это создает проблемы, связанные с образованием пыли внутри вакуумной камеры, вызывающей появление загрязнений и влияющей на производительность. ^[7]^[8] Частицы пыли размером от нано- до миллиметров могут образовываться из-за повреждения компонентов, обращенных к плазме (PFC), вызванных высокими потоками частиц и тепла. В термоядерных устройствах, таких как ИТЭР, сбои, вызванные пылью, могут значительно повредить ПФУ, поэтому необходимо соблюдать ограничения по количеству пыли внутри корпуса. В некоторых случаях пыль (порошки) может играть положительную роль, например, при кондиционировании стенок на месте, подавлении краевых мод , уменьшении тепловых потоков к дивертору . ^[9]^[10]

См. также

Падма Кант Шукла — соавтор книги «Введение в физику пылевой плазмы»
Херемба Баилунг

Примечания

^ Мендис, Д.А. (сентябрь 1979 г.). «Пыль в космической плазме». Астрофизика и космическая наука . 65 (1): 5–12. Бибкод : 1979Ap&SS..65....5M . дои : 10.1007/BF00643484 . S2CID 121972351 .
^ Хилл, младший; Мендис, Д.А. (август 1979 г.). «Заряженная пыль во внешних планетарных магнитосферах. I - Физические и динамические процессы». Луна и планеты . 21 (1): 3–16. Бибкод : 1979M&P....21....3H . дои : 10.1007/BF00897050 . S2CID 125321897 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Шукла, ПК; Мамун, А.А. (2002). Введение в физику пылевой плазмы . ЦРК Пресс. стр. 70–83. ISBN 978-0-7503-0653-9 .
^ «Институт Макса Планка по исследованию Солнечной системы» . Архивировано из оригинала 12 мая 2011 г. Проверено 30 сентября 2012 г.
^ Морфилл, GE; Ивлев, Алексей (2009). «Сложная плазма: междисциплинарная область исследований». Обзоры современной физики . 81 (4): 1353–1404. Бибкод : 2009РвМП...81.1353М . дои : 10.1103/RevModPhys.81.1353 .
^ Мендис, Д.А. (1979). «Пыль в космической плазме». Астрофизика и космическая наука . 65 (1): 5–12. Бибкод : 1979Ap&SS..65....5M . дои : 10.1007/bf00643484 . S2CID 121972351 .
^ Винтер, Дж; Гебауэр, Г. (1999). «Пыль в термоядерных устройствах с магнитным удержанием и ее влияние на работу плазмы» . Журнал ядерных материалов . 266–269: 228–233. Бибкод : 1999JNuM..266..228W . дои : 10.1016/S0022-3115(98)00526-1 .
^ Крашенинников С.И.; Смирнов Р.Д.; Рудаков, Д.Л. (2011). «Пыль в термоядерных устройствах» . Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез . 53 (8): 083001. Бибкод : 2011PPCF...53х3001К . дои : 10.1088/0741-3335/53/8/083001 . S2CID 122645233 .
^ Бортолон, А; Роде, В; Манги, Р; Вольфрум, Э; и др. (2019). «Кондиционирование стен в режиме реального времени путем контролируемого впрыскивания порошка бора и нитрида бора в цельную вольфрамовую стену, модернизация ASDEX» . Ядерные материалы и энергетика . 19 : 384–389. Бибкод : 2019NMEne..19..384B . дои : 10.1016/j.nme.2019.03.022 . S2CID 139572365 .
^ Эффенберг, Ф; Бортолон, А; Казали, Л; и др. (2022). «Уменьшение взаимодействия плазмы со стенкой с порошками с низким Z в плазме высокого удержания DIII-D» . Нукл. Слияние . 62 (10): 106015. arXiv : 2203.15204 . Бибкод : 2022NucFu..62j6015E . дои : 10.1088/1741-4326/ac899d . S2CID 247778852 .

Внешние ссылки

Группа исследования сложной плазмы - DLR Oberpfaffenhofen

Ссылки

Пыльная плазма: физика, химия и технологические воздействия при плазменной обработке, John Wiley & Sons Ltd.
Мерлино, Роберт Л., «Экспериментальные исследования пылевой плазмы» (2005) ( препринт в формате PDF ); освещает некоторые аспекты истории лабораторных экспериментов с пылевой плазмой,
Морфилл, Грегор Э. и Ивлев, Алексей В., «Сложная плазма: междисциплинарная область исследований» , Rev. Mod. Физ. 81, 1353 (2009)

[1] Мендис, Д.А. (сентябрь 1979 г.). «Пыль в космической плазме». Астрофизика и космическая наука . 65 (1): 5–12. Бибкод : 1979Ap&SS..65....5M . дои : 10.1007/BF00643484 . S2CID 121972351 .

[2] Хилл, младший; Мендис, Д.А. (август 1979 г.). «Заряженная пыль во внешних планетарных магнитосферах. I - Физические и динамические процессы». Луна и планеты . 21 (1): 3–16. Бибкод : 1979M&P....21....3H . дои : 10.1007/BF00897050 . S2CID 125321897 .

[IntroShukla-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Шукла, ПК; Мамун, А.А. (2002). Введение в физику пылевой плазмы . ЦРК Пресс. стр. 70–83. ISBN 978-0-7503-0653-9 .

[4] «Институт Макса Планка по исследованию Солнечной системы» . Архивировано из оригинала 12 мая 2011 г. Проверено 30 сентября 2012 г.

[5] Морфилл, GE; Ивлев, Алексей (2009). «Сложная плазма: междисциплинарная область исследований». Обзоры современной физики . 81 (4): 1353–1404. Бибкод : 2009РвМП...81.1353М . дои : 10.1103/RevModPhys.81.1353 .

[6] Мендис, Д.А. (1979). «Пыль в космической плазме». Астрофизика и космическая наука . 65 (1): 5–12. Бибкод : 1979Ap&SS..65....5M . дои : 10.1007/bf00643484 . S2CID 121972351 .

[7] Винтер, Дж; Гебауэр, Г. (1999). «Пыль в термоядерных устройствах с магнитным удержанием и ее влияние на работу плазмы» . Журнал ядерных материалов . 266–269: 228–233. Бибкод : 1999JNuM..266..228W . дои : 10.1016/S0022-3115(98)00526-1 .

[8] Крашенинников С.И.; Смирнов Р.Д.; Рудаков, Д.Л. (2011). «Пыль в термоядерных устройствах» . Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез . 53 (8): 083001. Бибкод : 2011PPCF...53х3001К . дои : 10.1088/0741-3335/53/8/083001 . S2CID 122645233 .

[9] Бортолон, А; Роде, В; Манги, Р; Вольфрум, Э; и др. (2019). «Кондиционирование стен в режиме реального времени путем контролируемого впрыскивания порошка бора и нитрида бора в цельную вольфрамовую стену, модернизация ASDEX» . Ядерные материалы и энергетика . 19 : 384–389. Бибкод : 2019NMEne..19..384B . дои : 10.1016/j.nme.2019.03.022 . S2CID 139572365 .

[10] Эффенберг, Ф; Бортолон, А; Казали, Л; и др. (2022). «Уменьшение взаимодействия плазмы со стенкой с порошками с низким Z в плазме высокого удержания DIII-D» . Нукл. Слияние . 62 (10): 106015. arXiv : 2203.15204 . Бибкод : 2022NucFu..62j6015E . дои : 10.1088/1741-4326/ac899d . S2CID 247778852 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]