Doppelschicht (Plasmaphysik) - Double layer (plasma physics)

Dieser Artikel behandelt die Struktur in der Plasmaphysik. Weitere Verwendungszwecke finden Sie unter Doppelschicht .

Eine Doppelschicht ist eine Struktur in einem Plasma, die aus zwei parallelen Schichten entgegengesetzter elektrischer Ladung besteht. Die nicht unbedingt planaren Ladungsschichten erzeugen lokalisierte Auslenkungen des elektrischen Potentials , was zu einem relativ starken elektrischen Feld zwischen den Schichten und zu schwächeren, aber ausgedehnteren Kompensationsfeldern außerhalb führt, die das globale Potential wiederherstellen. Ionen und Elektronen innerhalb der Doppelschicht werden je nach Bewegungsrichtung durch das elektrische Feld beschleunigt, abgebremst oder abgelenkt.

Doppelschichten können in Entladungsröhren erzeugt werden , wo durch eine externe Stromquelle anhaltende Energie innerhalb der Schicht zur Elektronenbeschleunigung bereitgestellt wird. Doppelschichten sollen in der Aurora beobachtet worden sein und werden in astrophysikalischen Anwendungen aufgerufen . In ähnlicher Weise erfordert eine Doppelschicht im Polarlichtbereich einen externen Treiber, um eine Elektronenbeschleunigung zu erzeugen.

Elektrostatische Doppelschichten sind in stromführenden Plasmen besonders verbreitet und sehr dünn (typischerweise mehrere Dutzend Debye-Längen ), verglichen mit den Größen der Plasmen, die sie enthalten. Andere Bezeichnungen für eine Doppelschicht sind elektrostatische Doppelschicht, elektrische Doppelschicht, Plasma-Doppelschicht. Der Begriff "elektrostatischer Schock" in der Magnetosphäre wurde auf elektrische Felder angewendet, die schräg zum Magnetfeld ausgerichtet sind, so dass das senkrechte elektrische Feld viel stärker ist als das parallele elektrische Feld. In der Laserphysik ist eine Doppelschicht manchmal auch als ambipolares elektrisches Feld bezeichnet.

Doppelschichten sind konzeptionell mit dem Konzept einer 'Hülle' verwandt ( siehe Debye-Scheide ). Eine frühe Übersicht über Doppelschichten aus Laborexperimenten und Simulationen liefert Torvén.

Einstufung

Doppelschichtbildung. Die Bildung einer Doppelschicht erfordert, dass sich Elektronen zwischen zwei benachbarten Bereichen bewegen (Abbildung 1, oben), was eine Ladungstrennung bewirkt. Es kann zu einem elektrostatischen Potentialungleichgewicht kommen (Abbildung 2, unten)

Doppelschichten können wie folgt klassifiziert werden:

  • Schwache und starke Doppelschichten. Die Stärke einer Doppelschicht ist als das Verhältnis des exprimierten Potentialabfalles im Vergleich mit dem äquivalenten Plasma thermischer Energie , oder im Vergleich zu der Ruhemasse Energie der Elektronen . Eine Doppelschicht wird als stark bezeichnet, wenn der Potentialabfall innerhalb der Schicht größer ist als die äquivalente thermische Energie der Plasmakomponenten.
  • Relativistische oder nicht-relativistische Doppelschichten. Eine Doppelschicht wird gesagt, dass relativistische wenn der Potentialabfall in der Schicht mit der vergleichbar ist , Ruhemasse Energie (\ 512KeV) des Elektrons. Doppelschichten solcher Energie findet man in Laborexperimenten. Zwischen den beiden gegenüberliegenden Potentialbereichen ist die Ladungsdichte gering und die Doppelschicht ähnelt in dieser Hinsicht der Ladungsverteilung in einem Kondensator .
  • Stromführende Doppelschichten Diese Doppelschichten können durch stromgetriebene Plasmainstabilitäten erzeugt werden, die Schwankungen der Plasmadichte verstärken. Ein Beispiel für diese Instabilitäten ist die Farley-Buneman-Instabilität , die auftritt, wenn die Strömungsgeschwindigkeit von Elektronen (im Wesentlichen die Stromdichte dividiert durch die Elektronendichte) die thermische Elektronengeschwindigkeit des Plasmas überschreitet. Es tritt in Kollisionsplasmen mit einer neutralen Komponente auf und wird durch Driftströme angetrieben.
  • Stromfreie Doppelschichten Diese treten an der Grenze zwischen Plasmabereichen mit unterschiedlichen Plasmaeigenschaften auf. Ein Plasma kann auf einer Seite einer Grenzschicht eine höhere Elektronentemperatur und thermische Geschwindigkeit aufweisen als auf der anderen. Das gleiche kann für Plasmadichten gelten. Geladene Teilchen, die zwischen den Regionen ausgetauscht werden, können ermöglichen, dass zwischen ihnen lokal Potentialunterschiede aufrechterhalten werden. Die Gesamtladungsdichte wird, wie in allen Doppelschichten, neutral sein.

Potential Ungleichgewicht wird durch Elektronen (1 und 3) und neutralisiert wird Ion (2 und 4) Migration, es sei denn , die möglichen Gradienten durch eine externe Energiequelle aufrechterhalten werden. Unter den meisten Laborsituationen können geladene Teilchen im Gegensatz zu Weltraumbedingungen effektiv innerhalb der Doppelschicht durch Ionisation an der Anode oder Kathode entstehen und aufrechterhalten werden.

Die Abbildung zeigt die lokalisierte Potentialstörung, die von einer idealisierten Doppelschicht aus zwei entgegengesetzt geladenen Scheiben erzeugt wird. Die Störung ist im Abstand von der Doppelschicht in jeder Richtung null.

Trifft ein einfallendes geladenes Teilchen, wie beispielsweise ein ausfallendes Polarlicht, auf eine solche statische oder quasistatische Struktur in der Magnetosphäre, sofern die Teilchenenergie die Hälfte der elektrischen Potentialdifferenz innerhalb der Doppelschicht überschreitet, wird es ohne Nettoenergieänderung durchgelassen . Einfallende Teilchen mit einer geringeren Energie als dieser erfahren ebenfalls keine Netto-Energieänderung, werden jedoch insgesamt stärker abgelenkt.

DL-Oberflächenplot.jpg

Es können vier verschiedene Bereiche einer Doppelschicht identifiziert werden, die sich auf geladene Teilchen auswirken, die sie durchqueren oder in ihr dringen:

  1. Eine positive Potentialseite der Doppelschicht, wo Elektronen darauf hin beschleunigt werden;
  2. Ein positives Potential innerhalb der Doppelschicht, wo Elektronen abgebremst werden;
  3. Ein negatives Potential innerhalb der Doppelschicht, wo Elektronen abgebremst werden; und
  4. Eine negative Potentialseite der Doppelschicht, wo Elektronen beschleunigt werden.

Doppelschichten neigen dazu, in der Magnetosphäre vorübergehend zu sein, da jedes Ladungsungleichgewicht neutralisiert wird, es sei denn, es gibt eine dauerhafte externe Energiequelle, um sie wie unter Laborbedingungen aufrechtzuerhalten.

Bildungsmechanismen

Die Einzelheiten des Entstehungsmechanismus hängen von der Umgebung des Plasmas ab (zB Doppelschichten im Labor, Ionosphäre , Sonnenwind , Kernfusion usw.). Zu den vorgeschlagenen Mechanismen für ihre Bildung gehörten:

  • 1971: Zwischen Plasmen unterschiedlicher Temperatur
  • 1976: In Laborplasmen
  • 1982: Unterbrechung eines neutralen Strombogens
  • 1983: Injektion von nicht-neutralem Elektronenstrom in ein kaltes Plasma
  • 1985: Erhöhung der Stromdichte in einem Plasma
  • 1986: In der Akkretionssäule eines Neutronensterns
  • 1986: Durch Kneifen in kosmischen Plasmaregionen
  • 1987: In einem Plasma, das durch einen magnetischen Spiegel eingeschränkt wird
  • 1988: Durch eine elektrische Entladung
  • 1988: Strombedingte Instabilitäten (starke Doppelschichten)
  • 1988: Von Raumfahrzeugen ausgestoßene Elektronenstrahlen
  • 1989: Von Stoßwellen in einem Plasma
  • 2000: Laserstrahlung
  • 2002: Wenn magnetfeldausgerichtete Ströme auf Dichtehohlräume treffen
  • 2003: Durch den Einfall von Plasma auf die dunkle Seite der Mondoberfläche. Siehe Bild.

Funktionen und Eigenschaften

Der Mond. Die Vorhersage einer Monddoppelschicht wurde 2003 bestätigt. Im Schatten lädt sich der Mond im interplanetaren Medium negativ auf.
  • Dicke : Die Herstellung einer Doppelschicht erfordert Bereiche mit einem signifikanten Überschuss an positiver oder negativer Ladung, dh wo die Quasi-Neutralität verletzt wird. Im Allgemeinen kann Quasi-Neutralität nur auf Skalen der Debye-Länge verletzt werden . Die Dicke einer Doppelschicht liegt in der Größenordnung von zehn Debye-Längen, das sind einige Zentimeter in der Ionosphäre , einige Dutzend Meter im interplanetaren Medium und Dutzende Kilometer im intergalaktischen Medium .
  • Verteilung des elektrostatischen Potentials : Wie oben unter Doppelschichtklassifizierung beschrieben, gibt es effektiv vier verschiedene Bereiche einer Doppelschicht, in denen ankommende geladene Teilchen entlang ihrer Flugbahn beschleunigt oder abgebremst werden. Innerhalb der Doppelschicht neigen die beiden gegensätzlichen Ladungsverteilungen dazu, durch interne Bewegung geladener Teilchen neutralisiert zu werden.
  • Teilchenfluss : Bei nicht-relativistischen stromtragenden Doppelschichten tragen Elektronen den größten Teil des Stroms. Die Langmuir-Bedingung besagt, dass das Verhältnis des Elektrons und des Ionenstroms durch die Schicht durch die Quadratwurzel des Massenverhältnisses der Ionen zu den Elektronen gegeben ist. Für relativistische Doppelschichten ist das Stromverhältnis 1; dh der Strom wird zu gleichen Teilen von Elektronen und Ionen getragen.
  • Energieversorgung : Der momentane Spannungsabfall an einer stromdurchflossenen Doppelschicht ist proportional zum Gesamtstrom und ähnelt dem an einem Widerstandselement (oder Last), das Energie in einem Stromkreis abführt. Eine Doppelschicht kann alleine keine Nettoenergie liefern.
  • Stabilität : Doppelschichten in Laborplasmen können je nach Parameterregime stabil oder instabil sein. Es können verschiedene Arten von Instabilitäten auftreten, die häufig durch die Bildung von Ionen- und Elektronenstrahlen entstehen. Instabile Doppelschichten sind in dem Sinne verrauscht, dass sie Schwingungen über ein breites Frequenzband erzeugen. Eine mangelnde Plasmastabilität kann auch zu einer plötzlichen Konfigurationsänderung führen, die oft als Explosion (und damit explodierende Doppelschicht ) bezeichnet wird. In einem Beispiel dehnt sich der in der Doppelschicht eingeschlossene Bereich schnell aus und entwickelt sich. Eine Explosion dieser Art wurde zuerst in Quecksilber-Lichtbogengleichrichtern entdeckt, die in Hochleistungs-Gleichstrom-Übertragungsleitungen verwendet werden, wo der Spannungsabfall über dem Gerät um mehrere Größenordnungen zugenommen hat. Doppelschichten können auch driften, meist in Richtung des emittierten Elektronenstrahls , und sind in dieser Hinsicht natürliche Analogien zum glatten Magnetron
  • Magnetisierte Plasmen : Sowohl in magnetisierten als auch in unmagnetisierten Plasmen können sich Doppelschichten bilden.
  • Zelluläre Natur : Obwohl Doppelschichten relativ dünn sind, verteilen sie sich über die gesamte Querfläche eines Laborbehälters. Ebenso bilden sich dort, wo benachbarte Plasmabereiche unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, Doppelschichten aus und neigen dazu, die unterschiedlichen Bereiche zu zellularisieren.
Hall-Effekt-Triebwerk . Die in Plasma-Triebwerken (insbesondere dem Helicon Double Layer Thruster ) verwendeten elektrischen Felder können in Form von Doppelschichten vorliegen.
  • Energieübertragung : Doppelschichten können die Übertragung von elektrischer Energie in kinetische Energie erleichtern, dW/dt=I•ΔV wobei I die elektrische Stromableitungsenergie in eine Doppelschicht mit einem Spannungsabfall von ΔV ist. Alfvén weist darauf hin, dass der Strom durchaus ausschließlich aus niederenergetischen Teilchen bestehen kann. Torven et al. postulierten, dass Plasma durch elektrische Doppelschichten spontan magnetisch gespeicherte Energie in kinetische Energie umwandeln kann. Es wurde jedoch kein glaubwürdiger Mechanismus zur Herstellung solcher Doppelschichten präsentiert. Ionentriebwerke können einen direkteren Fall der Energieübertragung von entgegengesetzten Potentialen in Form von Doppelschichten bereitstellen, die durch ein externes elektrisches Feld erzeugt werden.
  • Schräge Doppelschicht : Eine schräge Doppelschicht weist elektrische Felder auf, die nicht parallel zum umgebenden Magnetfeld sind; dh es ist nicht feldausgerichtet.
  • Simulation : Doppelschichten können mit kinetischen Computermodellen wie Partikel-in-Zellen-Simulationen (PIC) modelliert werden. In einigen Fällen wird das Plasma als im Wesentlichen ein- oder zweidimensional behandelt, um den Rechenaufwand einer Simulation zu reduzieren.
  • Bohm-Kriterium : Eine Doppelschicht kann nicht unter allen Umständen existieren. Um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das an den Rändern der Doppelschicht verschwindet, besagt ein Existenzkriterium, dass die Temperatur des Umgebungsplasmas maximal ist. Dies ist das sogenannte Böhm-Kriterium.
  • Biophysikalische Analogie : Ein Modell von Plasmadoppelschichten wurde verwendet, um ihre Anwendbarkeit auf das Verständnis des Ionentransports durch biologische Zellmembranen zu untersuchen. Brasilianische Forscher haben festgestellt, dass "Konzepte wie Ladungsneutralität , Debye-Länge und Doppelschicht sehr nützlich sind, um die elektrischen Eigenschaften einer Zellmembran zu erklären ." Der Plasmaphysiker Hannes Alfvén bemerkte auch diese Assoziation von Doppelschichten mit der Zellstruktur, wie es Irving Langmuir vor ihm getan hatte, der den Begriff "Plasma" aufgrund seiner Ähnlichkeit mit Blutzellen prägte.

Geschichte

In einem Plasma niedriger Dichte können lokalisierte Raumladungsbereiche große Potentialabfälle über Entfernungen in der Größenordnung von einigen zehn der Debye-Längen aufbauen. Solche Bereiche wurden elektrische Doppelschichten genannt . Eine elektrische Doppelschicht ist die einfachste Raumladungsverteilung, die einen Potentialabfall in der Schicht und ein verschwindendes elektrisches Feld auf jeder Seite der Schicht ergibt. Im Labor werden Doppelschichten seit einem halben Jahrhundert untersucht, ihre Bedeutung für kosmische Plasmen ist jedoch nicht allgemein anerkannt.

—  Hannes Alfven ,
Eine Ansammlung von Doppelschichten, die sich in einer Alfvén-Welle bilden , etwa ein Sechstel der Entfernung von links. Klicken Sie für mehr Details

Bereits in den 1920er Jahren war bekannt, dass ein Plasma eine begrenzte Kapazität zur Stromerhaltung hat, Irving Langmuir charakterisierte im Labor Doppelschichten und nannte diese Strukturen Doppelhüllen. In den 1950er Jahren begann im Labor eine gründliche Untersuchung von Doppelschichten. Viele Gruppen arbeiten noch an diesem Thema theoretisch, experimentell und numerisch. Es wurde zuerst von Hannes Alfvén (dem Entwickler der Magnetohydrodynamik aus Laborexperimenten) vorgeschlagen, dass die Polarlichter oder Aurora Borealis durch Elektronen erzeugt werden, die in der Magnetosphäre der Erde beschleunigt werden. Er nahm an, dass die Elektronen durch ein elektrisches Feld, das in einem kleinen, von zwei geladenen Gebieten begrenzten Volumen lokalisiert ist, elektrostatisch beschleunigt werden und die sogenannte Doppelschicht die Elektronen zur Erde beschleunigen würde. Seitdem wurden andere Mechanismen, die Welle-Teilchen-Wechselwirkungen beinhalten, als machbar vorgeschlagen, und zwar aus umfangreichen räumlichen und zeitlichen In-situ-Studien von Polarlichtteilcheneigenschaften .

Viele Untersuchungen der Magnetosphäre und der Polarlichter wurden mit Raketen und Satelliten durchgeführt. McIlwain entdeckte 1960 bei einem Raketenflug, dass das Energiespektrum der Polarlichtelektronen einen Peak aufwies, der damals für zu scharf gehalten wurde, um durch einen zufälligen Prozess erzeugt zu werden, und daher einen geordneten Prozess vermuten ließ. 1977 wurde berichtet, dass Satelliten die Signatur von Doppelschichten als elektrostatische Schocks in der Magnetosphäre entdeckt hatten. Hinweise auf elektrische Felder parallel zu den geomagnetischen Feldlinien erhielt der Viking-Satellit, der mit Sonden an 40 m langen Auslegern die differentiellen Potentialstrukturen in der Magnetosphäre vermisst. Diese Sonden maßen die lokale Partikeldichte und die Potentialdifferenz zwischen zwei 80 m voneinander entfernten Punkten. Asymmetrische Potentialausschläge in Bezug auf 0 V wurden gemessen und als Doppelschicht mit einem Nettopotential innerhalb der Region interpretiert. Magnetosphärische Doppelschichten haben typischerweise eine Stärke (wobei die Elektronentemperatur im Bereich von angenommen wird ) und sind daher schwach. Eine Reihe solcher Doppelschichten würde dazu neigen, ähnlich wie eine Reihe von Stabmagneten zu verschmelzen und sich selbst in einem verdünnten Plasma aufzulösen. Es muss noch erklärt werden, wie jede lokalisierte Gesamtladungsverteilung in Form von Doppelschichten eine Energiequelle für Polarlichtelektronen darstellen könnte, die in die Atmosphäre abgeschieden werden.

Die Interpretation der FAST- Raumsondendaten ergab starke Doppelschichten in der Polarlicht-Beschleunigungsregion. Starke Doppelschichten wurden auch von Andersson et al. Parallele elektrische Felder mit Amplituden von fast 1 V/m wurden auf eine dünne Schicht von ungefähr 10 Debye-Längen beschränkt. Es heißt, die Strukturen bewegten sich „mit ungefähr der Ionenschallgeschwindigkeit in Richtung der beschleunigten Elektronen, also gegen die Erde“. Das wirft die Frage auf, welche Rolle, wenn überhaupt, Doppelschichten bei der Beschleunigung von Polarlichtelektronen spielen könnten, die aus der Magnetosphäre nach unten in die Atmosphäre abgeschieden werden.

Die mögliche Rolle der Abscheidung von Elektronen von 1-10 keV selbst, die solche beobachteten Doppelschichten oder elektrischen Felder erzeugen, wurde selten in Betracht gezogen oder analysiert. Auch die allgemeine Frage, wie solche Doppelschichten aus einer alternativen Energiequelle erzeugt werden könnten oder wie die räumliche Verteilung der elektrischen Ladung sein könnte, um Nettoenergieänderungen zu erzeugen, wird selten behandelt. Unter Laborbedingungen steht eine externe Stromversorgung zur Verfügung.

Im Labor können in verschiedenen Geräten Doppelschichten erstellt werden. Sie werden in Doppelplasmamaschinen, Dreifachplasmamaschinen und Q-Maschinen untersucht . Die in diesen Maschinen messbaren stationären Potentialstrukturen stimmen sehr gut mit dem überein, was man theoretisch erwarten würde. Ein Beispiel für eine Labordoppelschicht ist in der Abbildung unten zu sehen, die von Torvén und Lindberg (1980) übernommen wurde, wo wir sehen können, wie gut definiert und begrenzt der potenzielle Abfall einer Doppelschicht in einer Doppelplasmamaschine ist. Einer der interessanten Aspekte des Experiments von Torvén und Lindberg (1980) ist, dass sie nicht nur die Potentialstruktur in der Doppelplasmamaschine gemessen haben, sondern auch hochfrequente fluktuierende elektrische Felder auf der Hochpotentialseite der Doppelschicht gefunden haben (auch in der Abbildung gezeigt). Diese Fluktuationen sind wahrscheinlich auf eine Strahl-Plasma-Wechselwirkung außerhalb der Doppelschicht zurückzuführen, die Plasmaturbulenzen anregt. Ihre Beobachtungen stimmen mit Experimenten zu elektromagnetischer Strahlung von Doppelschichten in einer Doppelplasmamaschine von Volwerk (1993) überein, der jedoch auch Strahlung aus der Doppelschicht selbst beobachtete.

Die Stärke dieser Fluktuationen hat ein Maximum um die Plasmafrequenz des Umgebungsplasmas. Später wurde berichtet, dass sich die elektrostatischen Hochfrequenzfluktuationen in der Nähe der Doppelschicht in einem engen Bereich konzentrieren können, der manchmal als HF-Spike bezeichnet wird. Anschließend wurden aus dieser Region sowohl Radioemissionen nahe der Plasmafrequenz als auch Pfeifwellen bei viel niedrigeren Frequenzen beobachtet. Ähnliche Whistler-Wellenstrukturen wurden zusammen mit Elektronenstrahlen in der Nähe von Saturns Mond Enceladus beobachtet , was auf das mögliche Vorhandensein einer Doppelschicht in geringerer Höhe hindeutet.

Eine neuere Entwicklung bei Doppelschichtexperimenten im Labor ist die Untersuchung von sogenannten Treppen-Doppelschichten. Es wurde beobachtet, dass ein Potentialabfall in einer Plasmasäule in verschiedene Teile unterteilt werden kann. Übergänge von einer einzelnen Doppelschicht in zwei-, drei- oder mehrstufige Doppelschichten sind stark empfindlich gegenüber den Randbedingungen des Plasmas.

Im Gegensatz zu Experimenten im Labor leidet das Konzept solcher Doppelschichten in der Magnetosphäre und jede Rolle bei der Entstehung der Aurora darunter, dass es bisher keine feste Energiequelle identifiziert hat. Die elektrische Potentialcharakteristik von Doppelschichten könnte jedoch darauf hinweisen, dass diejenigen, die in der Polarlichtzone beobachtet werden, ein Sekundärprodukt von niedergeschlagenen Elektronen sind, die auf andere Weise, beispielsweise durch elektrostatische Wellen, angeregt wurden. Einige Wissenschaftler haben eine Rolle von Doppelschichten bei Sonneneruptionen vorgeschlagen. Die indirekte Feststellung einer solchen Rolle ist noch schwieriger zu belegen, als Doppelschichten als Beschleuniger von Polarlichtelektronen in der Magnetosphäre der Erde zu postulieren. Auch dort wurden ernsthafte Fragen zu ihrer Rolle aufgeworfen.

Siehe auch

Fußnoten

Externe Links

Verweise

  • Alfvén, H., Zur Theorie magnetischer Stürme und Polarlichter , Tellus, 10, 104, 1958.
  • Peratt, A., Physik des Plasmauniversums , 1991
  • Raadu, M.,A., The physics of double layer and their role in astrophysics , Physics Reports, 178, 25–97, 1989.