ダスティプラズマ

ダストプラズマは、マイクロメートル（10 ⁻⁶）からナノメートル（10 ⁻⁹）サイズの粒子が浮遊しているプラ​​ズマです。ダスト粒子は帯電しており、プラズマと粒子はプラズマとして動作します。 ^{[1] [2]ダスト粒子はより大きな粒子を形成し、「粒子プラズマ」になります。帯電ダスト粒子を含むプラズマの研究は複雑であるため、ダストプラズマは}複合プラズマとも呼ばれます。^{[3] : 2}

ダストプラズマは次のような場合に発生します:

• 宇宙プラズマ
• 地球の中間圏[ ^4]
• 特別に設計された実験室実験^[5]

ダストプラズマは、粒子の存在によって荷電粒子の平衡が大きく変化し、さまざまな現象を引き起こすため興味深いものです。これは現在研究されている分野です。粒子間の静電結合は広範囲にわたって変化するため、ダストプラズマの状態は弱く結合した状態（気体）から結晶状態へと変化します。このようなプラズマは、相互作用する粒子の非ハミルトン系として、また自己組織化、パターン形成、相転移、スケーリングなどの一般的な基礎物理学を研究する手段として興味深いものです。

プラズマ内のダストの温度は、周囲の温度とはかなり異なる場合があります。 例:

ダスト粒子の電位は通常 1～10 V（正または負）です。電子はイオンよりも移動しやすいため、電位は通常負です。物理的には本質的には、デバイ長の数倍の厚さのデバイシースの形成など、正味電流を流さないラングミュアプローブの物理と同じです。ダスト粒子を帯電させる電子が相対論的である場合、ダストは数キロボルトまで帯電する可能性があります。^{[6]負の電位を低下させる傾向がある}電界電子放出は、粒子が小さいため重要になることがあります。光電効果と正イオンの影響により、ダスト粒子の電位は実際に正になることがあります。

土星の環のスポークの検出により、プラズマ中の荷電ダストのダイナミクスへの関心が高まりました。 ^{[3] : 85}プラズマ中の固体粒子の運動は次の式に従います。

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

ここで、項はそれぞれローレンツ力、重力、放射圧による力、抗力、熱泳動力を表す。^{[3] : 70}

ローレンツ力、つまり電気力と磁気力の寄与は次のように表されます。

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

ここでEは電場、vは速度、Bは磁場である。^{[3] : 71}

${\displaystyle \mathbf {F_{g}} }$は、惑星、衛星、その他の粒子からのダスト粒子に作用するすべての重力の合計です^{[3] : 75, 76}放射圧からの力の寄与です。これは次のように与えられます 。${\displaystyle \mathbf {F_{P}} }$

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

力のベクトルの方向は、入射する光子束の方向である。ダスト粒子の半径はである。^{[3] : 83}${\displaystyle \mathbf {\hat {e_{i}}} }$${\displaystyle I}$${\displaystyle r_{d}}$

抗力については、陽イオンとダスト粒子の相互作用と中性粒子とダスト粒子の相互作用という2つの主要な要素が関係している。^{[3] : 76}イオンとダストの相互作用は、通常の衝突、デバイ鞘の変化、クーロン衝突の3つの異なる相互作用にさらに分類される。^{[3] : 77}

熱泳動力はプラズマ中に存在する正味の温度勾配とそれに伴う圧力不均衡から生じる力であり、特定の方向からの衝突によって正味の運動量が増加する原因となる。^{[3] : 80}

粒子のサイズに応じて、次の 4 つのカテゴリがあります。

1. 非常に小さな粒子で、 が優勢です。${\displaystyle \mathbf {F_{L}} }$${\displaystyle \mathbf {F_{G}} }$
2. 小さな粒子（q/m ≈ √ G）とプラズマは依然としてダイナミクスにおいて重要な役割を果たします。
3. 大きな粒子では、電磁気項は無視でき、粒子は粒子と呼ばれます。粒子の動きは重力と粘性によって決まります。
4. 大きな固体。センチメートルやメートルサイズの物体では、粘性によって大きな摂動が生じ、軌道が変わる可能性があります。キロメートルサイズ（またはそれ以上）の物体では、重力と慣性が運動を支配します。

ダストプラズマは、実験室でよく研究されます。ダスト粒子はプラズマ内で成長させるか、微粒子を挿入することができます。通常、イオン化度の低い低温プラズマが使用されます。すると、微粒子がエネルギーと運動量の輸送に関して支配的な要素となり、本質的に単一種のシステムとみなすことができます。このシステムは、固体、液体、気体の 3 つの古典的な相すべてで存在することができ、結晶化、波と衝撃の伝播、欠陥の伝播などの効果の研究に使用できます。

マイクロメートルサイズの粒子を使用すると、個々の粒子を観察することができます。粒子の動きは普通のカメラで観察できるほど遅く、システムの運動学を研究することができます。しかし、マイクロメートルサイズの粒子の場合、重力がシステムを乱す支配的な力になります。そのため、放物線飛行中や宇宙ステーション内で微小重力条件下で実験が行われることがあります。

ダストは核融合プラズマ研究においても重要な役割を果たしている。磁気閉じ込め核融合エネルギー生成には、 ITERやあらゆる核融合パイロットプラントで予想されるように、長時間にわたるDTプラズマ放電の燃焼が必要である。しかし、これは真空チャンバー内でのダスト形成に関連した課題を生じ、不純物を引き起こし、性能に影響を与える。^{[7] [8]}高い粒子流束と熱流束によって引き起こされるプラズマ対向部品（PFC）の損傷により、ナノサイズからミリメートルサイズのダスト粒子が生成される可能性がある。ITERのような核融合装置では、ダストによる混乱によりPFCが著しく損傷する可能性があるため、容器内のダスト在庫制限を満たす必要がある。場合によっては、ダスト（粉末）は、その場での壁面調整、エッジ局在モードの抑制、ダイバータへの熱流束の低減など、プラスの役割を果たすことができる。^{[9] [10]}

• パドマ・カント・シュクラ—『ダスティプラズマ物理学入門』の共著者
• ヘレンバ・バイルン

• Forschungsgruppe komplexe Plasmen - DLR オーバープファッフェンホーフェン

• ダスティプラズマ：プラズマ処理における物理学、化学、技術的影響、John Wiley & Sons Ltd.
• メルリーノ、ロバート L.、「ダストプラズマの実験的研究」（2005 年）（PDF プレプリント）; ダストプラズマの実験室実験の歴史の一部を紹介します。
• Morfill, Gregor E. および Ivlev, Alexei V.、「複合プラズマ: 学際的研究分野」、Rev. Mod. Phys. 81, 1353 (2009)