プラズマ（物理学）

プラズマは、固体、液体、気体に続く第4の物質の状態と呼ばれています。^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}これは、イオン化された物質が非常に高い電気伝導性を持つようになり、長距離の電場と磁場がその挙動を支配する状態です。^{[ 18 ] [ 19 ]}

プラズマは一般的に、結合していない正負の粒子からなる電気的に準中性の媒体です（つまり、プラズマ全体の電荷はほぼゼロです）。これらの粒子は結合していませんが、力を受けないという意味で「自由」ではありません。移動する荷電粒子は電流を生成し、荷電プラズマ粒子のあらゆる動きは、他の電荷によって生成される場に影響を与え、また影響を受けます。その結果、さまざまな程度で集団的な挙動が支配されます。^{[ 20 ] [ 21 ]}

プラズマは他の物質の状態とは異なります。特に、低密度プラズマを単に「電離ガス」と表現するのは誤りであり、誤解を招きます。プラズマは、どちらも一定の形状や体積を持たないという点で気相と似ていますが、それでも同様です。以下の表は、主な違いをまとめたものです。

理想的なプラズマを定義する3つの要素: ^{[ 23 ] [ 24 ]}

• プラズマ近似：プラズマ近似は、デバイ球内の電荷キャリア数を表すプラズマパラメータΛ ^{[ 25 ]}が1よりはるかに大きい場合に適用されます。^{[ 18 ] [ 19 ]}この基準は、プラズマの静電エネルギー密度と熱エネルギー密度の比が小さいことと同等であることが容易に示されます。このようなプラズマは弱結合プラズマと呼ばれます。^{[ 26 ]}
• バルク相互作用：デバイ長はプラズマの物理的なサイズよりもはるかに小さい。この基準は、プラズマのバルクにおける相互作用が、境界効果が発生する可能性のあるプラズマの端における相互作用よりも重要であることを意味する。この基準が満たされると、プラズマは準中性となる。^{[ 27 ]}
• 衝突なし：電子プラズマ周波数​​（電子のプラズマ振動を測定する）は、電子と中性粒子の衝突周波数よりもはるかに大きい。この条件が満たされると、静電相互作用が通常の気体運動のプロセスよりも優勢になる。このようなプラズマは衝突なしと呼ばれる。^{[ 28 ]}

プラズマの電気力の強さと範囲、および良好な導電性により、通常、任意の大きな領域では正電荷と負電荷の密度が等しくなります（「準中性」）。電荷密度が著しく高いプラズマ、または極端な場合には単一の種類の電荷で構成されているプラ​​ズマは、非中性プラズマと呼ばれます。このようなプラズマでは、電場が支配的な役割を果たします。例としては、荷電粒子ビーム、ペニングトラップ内の電子雲、陽電子プラズマなどがあります。^{[ 29 ]}

ダストプラズマには、宇宙空間によく見られる小さな荷電した塵粒子が含まれています。塵粒子は高い電荷を帯び、互いに相互作用します。より大きな粒子を含むプラズマは、グレインプラズマと呼ばれます。実験室条件下では、ダストプラズマは複合プラズマとも呼ばれます。^{[ 30 ]}

プラズマが存在するためには、電離が必要である。「プラズマ密度」という用語は、通常、電子密度を指す。${\displaystyle n_{e}}$すなわち、単位体積あたりの電荷に寄与する電子の数。イオン化度${\displaystyle \alpha }$は、中性粒子のうちイオン化された粒子の割合として定義される。

$${\displaystyle \alpha ={\frac {n_{i}}{n_{i}+n_{n}}},}$$

どこ${\displaystyle n_{i}}$イオン密度と${\displaystyle n_{n}}$中性密度（単位体積あたりの粒子数）。完全に電離した物質の場合、${\displaystyle \alpha =1}$プラズマの準中性のため、電子密度とイオン密度は次のように関係付けられる。${\displaystyle n_{e}=\langle Z_{i}\rangle n_{i}}$、 どこ${\displaystyle \langle Z_{i}\rangle }$は平均イオン電荷（素電荷の単位）です。

プラズマ温度は、一般的にケルビンまたは電子ボルトで測定され、粒子あたりの熱運動エネルギーの尺度です。プラズマの特徴である電離を維持するには、通常、高温が必要です。プラズマの電離度は、電離エネルギーに対する電子温度（および密度によって弱く）によって決定されます。熱平衡状態では、この関係はサハ方程式で与えられます。低温では、イオンと電子は結合状態（原子^{[ 32 ]）}に再結合する傾向があり、他の電離機構がない場合、プラズマは最終的にガスになります。

ほとんどの場合、電子と重いプラズマ粒子（イオンと中性原子）はそれぞれ比較的明確な温度を持ちます。つまり、強い電場や磁場が存在する場合でも、そのエネルギー分布関数はマクスウェル分布に近くなります。しかし、電子とイオンの質量の差が大きいため、温度が異なる場合があり、場合によってはかなり異なります。これは、イオンが周囲温度に近い一方、電子が数千ケルビンに達するような弱電離技術プラズマで特によく見られます。^{[ 33 ]}その反対は、イオン温度が電子温度を超えることがあるzピンチプラズマです。 ^{[ 34 ]}

プラズマは非常に優れた電気伝導体であるため、電位が重要な役割を果たします。荷電粒子間の空間における平均電位は、測定方法に関係なく、「プラズマ電位」または「空間電位」と呼ばれます。電極をプラズマに挿入すると、デバイシースと呼ばれる現象により、その電位は一般的にプラズマ電位よりもかなり低くなります。プラズマの優れた電気伝導性により、その電場は非常に小さくなります。この結果、「準中性」という重要な概念が生じます。これは、プラズマの大きな体積にわたって負電荷の密度が正電荷の密度とほぼ等しいことを意味します（${\displaystyle n_{e}=\langle Z\rangle n_{i}}$）しかし、デバイ長のスケールでは、電荷の不均衡が生じる可能性がある。二重層が形成される特殊なケースでは、電荷分離は数十デバイ長まで広がる可能性がある。^{[ 36 ]}

電位と電場の大きさは、単に正味電荷密度を求める以外の方法で決定する必要がある。よくある例として、電子がボルツマン関係を満たすと仮定することが挙げられる。 $${\displaystyle n_{e}\propto \exp(e\Phi /k_{\text{B}}T_{e}).}$$

この関係式を微分することで、密度から電場を計算する手段が得られる。 $${\displaystyle {\vec {E}}={\frac {k_{\text{B}}T_{e}}{e}}{\frac {\nabla n_{e}}{n_{e}}}.}$$

準中性ではないプラズマを生成することは可能である。例えば、電子ビームは負電荷のみを持つ。非中性プラズマの密度は一般的に非常に低いか、非常に小さい必要がある。そうでなければ、静電反発力によって散逸してしまうからである。^{[ 37 ]}

荷電粒子の存在により、プラズマは磁場を生成し、また磁場の影響を受ける。荷電粒子の運動に影響を与えるほど強い磁場を持つプラズマは磁化されていると言われる。一般的な定量的基準は、粒子が平均して衝突する前に磁力線の周りを少なくとも1回転することである。${\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }/\nu _{\mathrm {coll} }>1}$、 どこ${\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }}$電子のジャイロ周波数と${\displaystyle \nu _{\mathrm {coll} }}$は電子衝突率です。電子は磁化されているのにイオンは磁化されていないという状況がよく見られます。磁化されたプラズマは異方性であり、磁場に平行な方向の特性と垂直な方向の特性が異なります。プラズマの導電率が高いため、プラズマ内の電場は通常小さいですが、速度で移動するプラズマに関連する電場は大きくなります。${\displaystyle \mathbf {v} }$磁場の中で${\displaystyle \mathbf {B} }$通常のローレンツの公式で与えられる${\displaystyle \mathbf {E} =-\mathbf {v} \times \mathbf {B} }$、デバイ遮蔽の影響を受けない。^{[ 38 ]}

流体モデルは、各位置の密度や平均速度などの平滑化された量でプラズマを記述します（プラズマパラメータを参照）。単純な流体モデルの1つである磁気流体力学では、プラズマをマクスウェル方程式とナビエ・ストークス方程式の組み合わせによって支配される単一の流体として扱います。より一般的な記述は、イオンと電子が別々に記述される2流体プラズマ^{[ 40 ]}です。流体モデルは、衝突頻度が十分に高く、プラズマの速度分布がマクスウェル・ボルツマン分布に近い場合に、しばしば正確です。流体モデルは通常、各空間位置で特定の温度の単一の流れとしてプラズマを記述するため、ビームや二重層などの速度空間構造を捉えることも、波動粒子効果を解くこともできません。

運動論モデルはプラズマ内の各点における粒子速度分布関数を記述するため、マクスウェル・ボルツマン分布を仮定する必要はありません。衝突のないプラズマでは、運動論的記述が必要となることがよくあります。プラズマの運動論的記述には、2 つの一般的なアプローチがあります。1 つは、速度と位置のグリッド上に平滑化された分布関数を表現することに基づいています。もう 1 つは、粒子セル(PIC) 法として知られており、多数の個々の粒子の軌跡を追跡することによって運動学的情報を取り込みます。運動論モデルは、一般的に流体モデルよりも計算負荷が高くなります。電磁場と相互作用する荷電粒子系のダ​​イナミクスを記述するために、 Vlasov 方程式を使用できます。磁化プラズマでは、ジャイロ運動論的アプローチにより、完全な運動論的シミュレーションの計算コストを大幅に削減できます。

プラズマは、観測可能な宇宙で観測される物質の 99% 以上を占めています。^{[ 41 ]}地球表面の上空では、電離層はプラズマであり、^{[ 42 ]}磁気圏もプラズマを含んでいます。^{[ 43 ]}太陽系内では、惑星間空間は太陽風によって放出されたプラズマで満たされており、太陽表面から太陽圏界面まで広がっています。さらに、遠方のすべての恒星、および星間空間や銀河間空間の大部分も、非常に低い密度ではありますが、プラズマで満たされています。天体物理プラズマは、恒星の周りの降着円盤や、近接連星系の白色矮星、中性子星、ブラックホールなどのコンパクト天体でも観測されています。 ^{[ 44 ]}プラズマは天体ジェットにおける物質の噴出と関連しており、これは降着ブラックホール^{[ 45 ]}や、 M87のジェットのように5,000光年まで広がっている可能性のある活動銀河^{[ 46 ]}で観測されている。

ほとんどの人工プラズマは、ガスに電場および／または磁場を印加することによって生成されます。実験室環境および産業用途で生成されるプラズマは、一般的に以下のように分類できます。

• プラズマ生成に使用される電源の種類：直流（DC）、交流（AC）（通常は無線周波数（RF））、マイクロ波
• 動作圧力範囲：真空圧（10  mTorr未満または1 Pa）、中圧（約1  Torrまたは100 Pa）、大気圧（760  Torrまたは100 kPa）
• プラズマ内の電離度（完全電離、部分電離、弱電離）
• プラズマ内の温度関係—熱プラズマ（${\displaystyle T_{e}=T_{i}=T_{\text{gas}}}$）、非熱プラズマまたは「低温」プラズマ（${\displaystyle T_{e}\gg T_{i}=T_{\text{gas}}}$）
• プラズマ生成に使用される電極構成
• プラズマ内の粒子の磁化状態：磁化状態（イオンと電子の両方が磁場によってラーモア軌道に捕捉されている）、部分磁化状態（電子は磁場に捕捉されているがイオンは捕捉されていない）、非磁化状態（磁場が弱すぎて粒子を軌道に捕捉できないが、ローレンツ力を発生させる可能性がある）。

人工プラズマの生成

プラズマの用途が多岐にわたるのと同様に、プラズマを生成する方法もいくつかあります。しかし、それらすべてに共通する原理が1つあります。それは、プラズマを生成および維持するためにエネルギー入力が必要であるということです。[ ^{47 ]この}場合、隣接する画像に示すように、放電管を簡単な例として示すと、誘電体ガスまたは流体（電気的に非伝導性の物質）に電流を流すとプラズマが生成されます（簡略化のために直流を使用）。

電位差とそれに続く電場は、束縛された電子（負）を陽極（正極）に向かって引き寄せ、陰極（負極）は原子核を引き寄せます。^{[ 48 ]}電圧が増加すると、電流は（電気分極によって）材料を誘電限界（強度と呼ばれる）を超えて電気的破壊の段階にまでストレスを与え、電気火花によって特徴付けられ、材料は絶縁体から導体に変化します（ますますイオン化されるため）。根本的なプロセスはタウンゼント雪崩であり、電子と中性ガス原子との衝突によってより多くのイオンと電子が生成されます（右の図に示されています）。電子が原子に最初に衝突すると、1つのイオンと2つの電子が生成されます。したがって、荷電粒子の数は、平均自由行程（衝突間の平均移動距離）が小さいため、「約20回の連続した衝突の後」にのみ急速に（数百万単位で）増加します。^{[ 49 ]}

電気アーク

電気アークは、雷に似た、2 つの電極間の連続的な放電です。十分な電流密度で、放電は発光アークを形成し、電極間の物質 (通常はガス) は飽和、破壊、グロー、遷移、熱アークなどさまざまな段階を経ます。電圧は飽和段階で最大になり、その後さまざまな段階の変動を経ますが、その間、電流は徐々に増加します。^{[ 49 ]} アークに沿った電気抵抗によって熱が発生し、より多くのガス分子が解離して、生成された原子がイオン化されます。したがって、電気エネルギーは電子に与えられ、電子は高い移動度と多数のため、重い粒子との弾性衝突によってそれを急速に分散させることができます。 ^{[ 50 ]}

プラズマボール、オーロラ^{[ 67 ]}、雷^{[ 68 ]}、アーク放電、太陽フレア[ ⁶⁹ ] 、超新星残骸^{[ 70 ]}など、多くのプラズマで縞模様や紐状構造^{[ 66 ]}が見られます。これらは、より大きな電流密度と関連している場合があり、磁場との相互作用により磁気ロープ構造が形成されることがあります^{[ 71 ]}。^{（プラズマ}ピンチも参照^）

フィラメンテーションは、高出力レーザーパルスの自己集束も指します。高出力では、屈折率の非線形部分が重要になり、レーザービームの中心で屈折率が高くなり、レーザーが端よりも明るくなるため、フィードバックが発生してレーザーがさらに集束されます。集束が強くなったレーザーはピーク輝度（放射照度）が高くなり、プラズマを形成します。プラズマの屈折率は1より低く、レーザービームのデフォーカスを引き起こします。集束屈折率とデフォーカスプラズマの相互作用により、マイクロメートルからキロメートルにも及ぶ長いプラズマフィラメントが形成されます。^{[ 72 ]}フィラメンテーションによって生成されたプラズマの興味深い点の1つは、電離電子のデフォーカス効果によりイオン密度が比較的低いことです。^{[ 73 ]} （フィラメント伝播も参照）

不透過性プラズマは、ガスや低温プラズマに対して不透過性の固体のように振る舞い、物理的に押すことができる熱プラズマの一種です。低温ガスと熱プラズマの相互作用は、 1960年代と1970年代にハネス・アルヴェーン率いるグループによって、核融合プラズマを原子炉壁から絶縁するための応用可能性について短期間研究されました。 ^{[ 74 ]}しかし、後に、この構成での外部磁場がプラズマにキンク不安定性を誘発し、その結果、壁への予想外に高い熱損失につながる可能性があることがわかりました。^{[ 75 ]}

2013年、材料科学者のグループが、超高圧の冷ガスブランケットのみを使用して、磁気閉じ込めなしで安定した不透過性プラズマを生成することに成功したと報告した。高圧のためプラズマの特性に関する分光学的データを取得することは困難であると主張されたが、プラズマの受動的な効果は、さまざまなナノ構造の合成に効果的な閉じ込めを明確に示唆した。彼らはまた、不透過性を数十秒間維持すると、プラズマとガスの界面でのイオンの遮蔽により、強力な二次加熱モード（粘性加熱として知られる）が発生し、反応のさまざまな速度論と複雑なナノ材料の形成につながる可能性があることを示した。^{[ 76 ]}