二重層（プラズマ物理学）

二重層はプラズマ内の構造で、互いに反対の電荷を持つ2つの平行な層から構成されます。電荷層は必ずしも平面ではありませんが、局所的な電位の偏向を生じ、層間に比較的強い電界が生じ、外側には弱いがより広範囲にわたる補償電界が生じ、全体的な電位が回復します。^[1]二重層内のイオンと電子は、その運動方向に応じて電界によって加速、減速、または偏向します。

放電管内では、電子加速のために外部電源によって層内に持続的なエネルギーが供給されることで 、二重層が作られる。二重層はオーロラで観測されたとされ、天体物理学の応用に利用されている。同様に、オーロラ領域の二重層では、電子加速を生成するために何らかの外部駆動装置が必要である。

静電二重層は、特に電流を流すプラズマでよく見られ、それを含むプラズマの大きさに比べて非常に薄い（通常はデバイ長の数十倍）。二重層の別名は、静電二重層、電気二重層、プラズマ二重層などである。磁気圏内の「静電衝撃」という用語は、磁場に対して斜めの角度で配向された電場を指し、垂直電場は平行電場よりもはるかに強い。^{[2] [3]}レーザー物理学では、二重層は両極性電場と呼ばれることがある。^[4]

二重層は概念的には「鞘」の概念に関連しています（デバイ鞘を参照 ）。実験室実験とシミュレーションによる二重層の初期のレビューはTorvénによって提供されています。^[5]

二重層は次のように分類できます。

• 弱い二重層と強い二重層。二重層の強さは、電位降下とプラズマの等価 熱エネルギー、または電子の静止質量エネルギーとの比として表される。二重層内の電位降下がプラズマの成分の等価熱エネルギーよりも大きい場合、その二重層は強いと言われる。^[6]
• 相対論的または非相対論的二重層。^[7]二重層は、層内の電位降下が電子の静止質量エネルギー（約512KeV）に匹敵する場合、相対論的であると言われます。このようなエネルギーの二重層は、実験室実験で見つけることができます。2つの反対の電位領域間の電荷密度は低く、その点で二重層はコンデンサ内の電荷分布に似ています。
• 電流を運ぶ二重層これらの二重層は、プラズマ密度の変化を増幅する電流駆動プラズマ不安定性によって生成される可能性があります。これらの不安定性の 1 つの例は、電子の流れ速度 (基本的には電流密度を電子密度で割ったもの) がプラズマの電子熱速度を超えたときに発生する Farley-Buneman 不安定性です。これは、中性成分を持つ衝突プラズマで発生し、ドリフト電流によって駆動されます。^{[引用が必要]}
• 電流のない二重層これらは、異なるプラズマ特性を持つプラズマ領域間の境界で発生します。境界層の片側では、プラズマの電子温度と熱速度がもう片側よりも高くなることがあります。同じことがプラズマ密度にも当てはまります。領域間で交換される荷電粒子によって、領域間で電位差が局所的に維持される可能性があります。すべての二重層と同様に、全体的な電荷密度は中性になります。

電位の不均衡は、電位勾配が外部エネルギー源によって維持されない限り、電子 (1 と 3) とイオン(2 と 4) の移動によって中和されます。ほとんどの実験室環境では、宇宙空間の条件とは異なり、荷電粒子は陽極または陰極でのイオン化によって二重層内で効果的に発生し、維持されます。

この図は、2つの反対に帯電した円板からなる理想的な二重層によって生じる局所的な電位の摂動を示しています。この摂動は、二重層からどの方向においてもゼロです。^[8]

降下するオーロラ電子などの入射荷電粒子が磁気圏内の静的または準静的構造に遭遇した場合、粒子のエネルギーが二重層内の電位差の半分を超えると、エネルギーの正味の変化なしに通過します。これよりエネルギーの低い入射粒子もエネルギーの正味の変化はありませんが、全体的な偏向が大きくなります。

二重層には 4 つの異なる領域があり、その領域を通過する、または二重層内を通過する荷電粒子に影響を与えます。

1. 電子がそこに向かって加速される二重層の正電位側。
2. 電子が減速される二重層内の正電位。
3. 電子が減速される二重層内の負電位。
4. 電子が加速される二重層の負電位側。

実験室環境のように二重層を維持するための持続的な外部エネルギー源がない限り、電荷の不均衡は中和されるため、磁気圏内での二重層は一時的なものになる傾向があります。

形成メカニズムの詳細はプラズマの環境（実験室内の二重層、電離層、太陽風、核融合など）によって異なります。提案されている形成メカニズムには以下のものがあります。

• 1971年: 異なる温度のプラズマ間^{[9] [10]}
• 1976年: 実験室のプラズマで^[11]
• 1982年: 中性電流シートの破壊^[12]
• 1983年: 冷たいプラズマへの非中性電子流の注入^[13]
• 1985年: プラズマ中の電流密度の増加^[14]
• 1986年: 中性子星の降着柱内^[15]
• 1986年: 宇宙プラズマ領域のピンチによる^[16]
• 1987年: 磁気ミラーによって拘束されたプラズマ中^[17]
• 1988年: 電気放電による^[18]
• 1988年: 電流駆動不安定性（強い二重層）^[19]
• 1988年: 宇宙船から放出された電子ビーム^[20]
• 1989年: プラズマ中の衝撃波から^[21]
• 2000年: レーザー照射^[22]
• 2002年: 磁場に沿った電流が密度空洞に遭遇したとき^[23]
• 2003年: 月面の暗い側へのプラズマの入射によるもの。写真をご覧ください。

• 厚さ: 二重層の形成には、正または負の電荷が著しく過剰である領域、つまり準中性に反する領域が必要です。一般に、準中性はデバイ長のスケールでのみ破られます。二重層の厚さはデバイ長の 10 倍程度で、これは電離層では数センチメートル、惑星間媒体では数十メートル、銀河間媒体では数十キロメートルです。^[要出典]
• 静電ポテンシャル分布: 上記の二重層の分類で説明したように、二重層には実質的に 4 つの異なる領域があり、そこでは入射する荷電粒子が軌道に沿って加速または減速されます。二重層内では、2 つの反対の電荷分布は、内部の荷電粒子の動きによって中和される傾向があります。
• 粒子束：非相対論的な電流を運ぶ二重層では、電子が電流の大部分を運びます。ラングミュアの条件は、層を横切る電子とイオンの電流の比は、イオンと電子の質量比の平方根で与えられるとしています。^[27]相対論的な二重層では、電流比は1です。つまり、電流は電子とイオンによって均等に運ばれます。
• エネルギー供給: 電流を流す二重層での瞬間的な電圧降下は総電流に比例し、電気回路でエネルギーを消費する抵抗要素 (または負荷) での電圧降下と似ています。二重層は単独では正味エネルギーを供給できません。
• 安定性: 実験室プラズマの二重層は、パラメータ領域に応じて安定または不安定になる場合があります。^[28]さまざまな種類の不安定性が発生する可能性がありますが、多くの場合、イオンと電子のビームの形成によって発生します。不安定な二重層は、広い周波数帯域にわたって振動を生成するという意味でノイズを伴います。プラズマの安定性の欠如は、爆発と呼ばれることが多い構成の突然の変化につながることもあります(したがって、爆発する二重層)。1 つの例では、二重層で囲まれた領域が急速に拡大し、進化します。^[29]このタイプの爆発は、高出力直流送電線で使用される水銀アーク整流器で最初に発見されました。この整流器 では、デバイス全体の電圧降下が数桁増加することが確認されました。二重層は、通常は放出された電子ビームの方向にドリフトする可能性があり、この点で滑腔マグネトロンの自然な類似物です^[30]
• 磁化プラズマ: 磁化プラズマと非磁化プラズマの両方で二重層が形成される可能性があります。
• 細胞性：二重層は比較的薄いですが、実験室の容器の横断面全体に広がります。同様に、隣接する血漿領域が異なる特性を持つ場合、二重層が形成され、異なる領域を細胞化する傾向があります。^[31]

• エネルギー伝達：二重層は電気エネルギーを運動エネルギーに伝達しやすくします。dW/dt=I•ΔV、ここでIはΔVの電圧降下で二重層にエネルギーを消散させる電流です。アルヴェンは、電流は低エネルギー粒子のみで構成されている可能性が高いと指摘しています。^[33]トルヴェンらは、プラズマが磁気的に蓄えられたエネルギーを電気二重層によって運動エネルギーに自発的に伝達する可能性があると仮定しています。^[34]しかし、そのような二重層を生成するための信頼できるメカニズムは提示されていません。イオンスラスタは、外部電界によって生成される二重層の形で、反対の電位からのエネルギー伝達のより直接的な例を提供できます。
• 斜め二重層: 斜め二重層は、周囲の磁場と平行ではない電場を持ちます。つまり、磁場が揃っていません。
• シミュレーション: 二重層は、粒子内セル (PIC) シミュレーションなどの運動コンピュータ モデルを使用してモデル化できます。場合によっては、シミュレーションの計算コストを削減するために、プラズマは基本的に 1 次元または 2 次元として扱われます。
• ボームの条件: 二重層はいかなる状況下でも存在できるわけではない。二重層の境界で消滅する電場を生成するためには、周囲のプラズマの温度に最大値があることが存在条件となる。これがいわゆるボームの条件である。^[35]
• 生物物理学的類推: プラズマ二重層モデルは、生物細胞膜を介したイオン輸送の理解への応用可能性を調査するために使用されてきた。^[36]ブラジルの研究者は、「電荷中性、デバイ長、二重層などの概念は、細胞膜の電気的特性を説明するのに非常に役立つ」と指摘している。 ^[37]プラズマ物理学者ハンネス・アルヴェンも、二重層と細胞構造の関連性を指摘している。^{[38]彼より前の}アーヴィング・ラングミュアも、血球に似ていることから「プラズマ」という用語を作った。^[39]

低密度プラズマでは、局所的な空間電荷領域が、デバイ長の数十倍の距離にわたって大きな電位降下を形成することがあります。このような領域は電気二重層と呼ばれています。電気二重層は、層内に電位降下が生じ、層の両側に電場が消失する最も単純な空間電荷分布です。実験室では、二重層は半世紀にわたって研究されてきましたが、宇宙プラズマにおけるその重要性は一般には認識されていません。

— ハンネス・アルヴェーン、^[40]

プラズマの電流維持能力には限界があることは 1920 年代にすでに知られており、アーヴィング・ラングミュア^[41]は実験室で二重層の特徴を明らかにし、これらの構造を二重シースと呼んだ。1950 年代には、実験室で二重層の徹底的な研究が始まった。^[42]多くのグループが、このテーマについて理論的、実験的、数値的に研究を続けている。極光またはオーロラは、地球の磁気圏内で加速された電子によって生成されるという説は、ハンネス・アルヴェーン(実験室実験による磁気流体力学の開発者) によって初めて提唱された。^[43]彼は、電子は 2 つの帯電領域で囲まれた小さな体積内に局在する電界によって静電的に加速され、いわゆる二重層が電子を地球に向かって加速すると考えた。それ以来、オーロラ粒子の特性に関する広範な空間的および時間的な現場研究から、波動粒子相互作用を伴う他のメカニズムが実現可能であると提唱されてきた。 [ ^44]

磁気圏とオーロラ領域の調査は、ロケットや衛星を使って数多く行われてきました。1960年のロケット飛行で、マキルウェインはオーロラ電子のエネルギースペクトルがピークを示すことを発見しました。当時は、このピークはランダムなプロセスでは生成し得ないほど鋭く、したがって秩序だったプロセスが原因であると考えられていました。^[45] 1977年には、衛星が磁気圏内の静電ショックとして二重層の兆候を検出したことが報告されました。^[46] 地磁気線に平行な電場の兆候は、バイキング衛星によって得られました。 ^[47]この衛星は、長さ40mのブームに取り付けられたプローブで磁気圏内の電位差構造を測定します。これらのプローブは、局所的な粒子密度と、80m離れた2点間の電位差を測定しました。0Vに対する非対称な電位偏移が測定され、領域内に正味電位を持つ二重層として解釈されました。磁気圏の二重層は、通常、強度（電子温度は の範囲内にあると想定される）を持ち、したがって弱い。このような二重層が連続すると、希薄なプラズマ内でも、棒磁石の列のように融合して消散する傾向がある。二重層の形をとる全体的な局所的な電荷分布が、大気中に放出されるオーロラ電子のエネルギー源となるかどうかは、まだ説明されていない。 ${\displaystyle e\phi _{DL}/k_{B}T_{e}\approx 0.1}$${\displaystyle 2eV\leq k_{B}T_{e}\leq 20eV}$

FAST宇宙船のデータの解釈では、オーロラ加速領域に強い二重層が存在することが示唆されている。^[48]強い二重層は、アンダーソンらによって下向き電流領域でも報告されている。^[49]ほぼ 1 V/m に達する振幅を持つ平行電場は、約 10 デバイ長の薄い層に限定されていると推測されている。構造は「加速された電子の方向、つまり反地球方向にイオンの音響速度とほぼ同じ速度で」移動したと述べられている。このことから、磁気圏から大気圏に下向きに放出されるオーロラ電子の加速に二重層が果たす役割 (もしあるとすれば) が疑問視される。^{[50]二重層は、宇宙ミッション}ClusterとMMSによって地球の磁気圏でも発見されている。^{[51] [52]}

1～10keV の電子が、このような観測された二重層または電場を生成するという役割については、ほとんど検討も分析もされていません。同様に、このような二重層が代替エネルギー源からどのように生成されるか、または電荷の空間分布が正味のエネルギー変化を生み出すかという一般的な疑問についても、ほとんど取り上げられていません。実験室環境では、外部電源が利用可能です。

実験室では、二重層は様々な装置で作成できます。それらは、ダブルプラズママシン、トリプルプラズママシン、およびQマシンで研究されています。これらのマシンで測定できる定常電位構造は、理論的に予想されるものと非常によく一致しています。実験室の二重層の例は、TorvénとLindberg（1980）から引用した下の図に示されています。この図から、二重プラズママシン内の二重層の電位降下がいかに明確かつ制限されているかがわかります。TorvénとLindberg（1980）^[53]による実験の興味深い点の1つは、二重プラズママシンの電位構造を測定しただけでなく、二重層の高電位側に高周波の変動電場を発見したことです（これも図に示されています）。これらの変動は、おそらく二重層の外側でのビームとプラズマの相互作用によるもので、プラズマの乱流を励起します。彼らの観察結果は、Volwerk（1993）による二重プラズマ装置の二重層から放射される電磁放射の実験と一致しているが、Volwerkは二重層自体からの放射も観測している。 ^[54]

これらの変動のパワーは、周囲のプラズマのプラズマ周波数​​付近で最大になります。後に、二重層付近の静電高周波変動は、高周波スパイクと呼ばれる狭い領域に集中する可能性があることが報告されました。^[55]その後、プラズマ周波数​​付近の電波放射と、はるかに低い周波数のホイッスラー波の両方がこの領域から発生することが確認されました。^{[56]同様のホイッスラー波構造が、土星の衛星}エンケラドゥス 付近で電子ビームとともに観測され、^[57]低高度に二重層が存在する可能性があることを示唆しています。

実験室での二重層実験における最近の進歩は、いわゆる階段状二重層の研究である。プラズマ柱の電位降下は、異なる部分に分割できることが観察されている。単一の二重層から 2 段、3 段、またはそれ以上の段の二重層への遷移は、プラズマの境界条件に非常に敏感である。^{[引用が必要]}

実験室での実験とは異なり、磁気圏内のこのような二重層の概念、およびオーロラ発生における何らかの役割は、これまで特定された安定したエネルギー源がないという問題を抱えている。しかし、二重層の電位特性は、オーロラ帯で観測される二重層が、静電波など他の方法でエネルギーを与えられた電子の降下による二次産物であることを示している可能性がある。一部の科学者は、太陽フレアにおける二重層の役割を示唆している。^{[58] [59]}間接的にそのような役割を確立することは、地球の磁気圏内で二重層がオーロラ電子を加速する役割を担っていると仮定するよりも検証がさらに難しい。そこでも、二重層の役割について深刻な疑問が提起されている。^[60]

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