プラズマ（物理学）
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上：雷やネオンライトは、プラズマを発生させる一般的な手段です。中央左：プラズマ球。フィラメント化など、より複雑なプラズマ現象の一部を示しています。中央右：国際宇宙ステーションから見た、スペースシャトル「アトランティス」が大気圏に再突入する際に発生するプラズマの軌跡。左下：炉床の火。火が十分に熱ければプラズマが発生することがあります。右下：日食から見た太陽のコロナ。

プラズマ（古代ギリシャ語のπλάσμα ( plásma ) [ 1 ] [ a ]「形成または成形されたもの、あるいは形成または成形の結果」[ 2 ]に由来）は、ある程度の電離を受けた気体状態の結果として生じる物質の状態である。したがって、プラズマは荷電粒子（イオンおよび/または電子）のかなりの部分で構成される。地球上ではめったに遭遇しないが、宇宙の通常の物質の99.9％はプラズマであると推定されている。[ 3 ]恒星はほぼ純粋なプラズマの球体であり、プラズマは希薄な銀河団内媒質と銀河間媒質の大部分を占めている。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]プラズマは、例えば中性ガスを加熱するか、強い電磁場にさらすことによって人工的に生成することができる。[ 8 ] 

荷電粒子の存在によりプラズマは導電性となり、個々の粒子の動きとプラズマのマクロ的な運動は集合的な電磁場によって支配され、外部から印加される電磁場に対して非常に敏感になります。[ 9 ]プラズマの電磁場への応答は、プラズマテレビやプラズマエッチングなど、多くの現代のデバイスや技術に利用されています。[ 10 ]

温度と密度に応じて、一定数の中性粒子も存在する可能性があり、その場合、プラズマは部分電離プラズマと呼ばれます。ネオンサインや稲妻は部分電離プラズマの例です。[ 11 ]

他の3つの物質状態間の相転移とは異なり、プラズマへの転移は明確に定義されておらず、解釈と文脈の問題です。 [ 12 ]特定の電離度が物質を「プラズマ」と呼ぶのに十分かどうかは、検討されている特定の現象によって異なります。

初期の歴史

1816年、24歳の学生だったマイケル・ファラデーは、一連の講義を行いました。その中の1つは「放射物質について」と題され、彼は気体とは区別される「蒸発をはるかに超えた、流動性を超えた」物質の存在を仮説しました。彼は1819年にこの概念をさらに発展させ、「物質の4つの状態」の一つとして挙げました（これは単なる仮説に過ぎないと認めつつ）。この講義の注釈には、「存在を信じる理由。実験的証拠。認められる放射物質の種類」と記されています[ 13 ] 。これは、彼が様々な圧力下で空気やその他の気体中の放電で観測した光に関連していると考えられます[ 14 ] 。

プラズマは、1879年8月22日金曜日にシェフィールドで開催された英国科学振興協会で講演を行ったウィリアム・クルックス卿によって研究室で初めて特定されました。 [ 15 ]クルックス卿はファラデーと彼の広範囲にわたる推測に敬意を表して「放射物質」という用語を使用しました。

N体シミュレーションによって計算されたプラズマ微小場。体液に似た、高速で移動する電子と低速で移動するイオンに注目してください。

プラズマの体系的な研究は、1920年代のアーヴィング・ラングミュアとその同僚による研究から始まりました。ラングミュアは1928年にイオン化ガスを表す用語として「プラズマ」を導入しました。[ 16 ]

電極付近（電子が極めて少ないシースが存在する）を除いて、電離ガスはイオンと電子をほぼ同数含むため、結果として生じる空間電荷は非常に小さくなります。イオンと電子の電荷が均衡したこの領域をプラズマと呼びます。

1920年代にラングミュアと共に研究していたルイス・トンクスとハロルド・モット＝スミスは、ラングミュアが最初にこの用語を血漿との類推で使用したことを回想している。[ 17 ] [ 18 ]モット＝スミスは特に、熱イオンフィラメントからの電子の輸送がラングミュアに「血漿が赤血球、白血球、細菌を運ぶ様子」を思い起こさせたと回想している。[ 19 ]

定義

物質の第4の状態

プラズマは固体、液体、気体に続く物質の第4の状態と呼ばれています。[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]プラズマとは、イオン化された物質が導電性が非常に高くなり、長距離の電場と磁場がその挙動を支配する物質の状態です。[ 23 ] [ 24 ]

プラズマは典型的には、正負の粒子が束縛されていない電気的に準中性な媒体です（つまり、プラズマ全体の電荷はほぼゼロです）。これらの粒子は束縛されていませんが、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発生させ、荷電プラズマ粒子の動きは他の荷電粒子によって生成される電場に影響を与え、またその影響を受けることになります。その結果、様々な程度の変化を伴う集団的挙動が支配されます。[ 25 ] [ 26 ]

プラズマは他の物質状態とは異なります。特に、低密度プラズマを単に「電離気体」と表現するのは誤りであり、誤解を招きます。たとえ、どちらも明確な形状や体積を持たないという点で気相と類似しているとしてもです。以下の表は、主な違いをまとめたものです。

州
財産
ガスプラズマ
相互作用 短距離: 2 つの粒子 (バイナリ)の衝突が規則です。 長距離: プラズマでは粒子の集団運動が遍在し、さまざまな波やその他の種類の集団現象を引き起こします。
電気伝導性 非常に低い：気体は1センチメートルあたり数十キロボルトの電界強度まで優れた絶縁体である。 [ 27 ]非常に高い: 多くの目的において、プラズマの伝導率は無限大として扱うことができます。
独立して行動する種 1 : すべての気体粒子は、互いの衝突や重力の影響を大きく受けながら、同じように動作します。 2 つ以上:電子とイオンは電荷が異なり、質量も大きく異なるため、多くの状況で異なる動作をし、その結果、 さまざまな種類のプラズマ特有の波と不安定性が発生します。

理想的な血漿

理想的なプラズマを定義する3つの要素：[ 28 ] [ 29 ]

  • 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 [ 30 ]が1よりはるかに大きい場合に適用される。[ 23 ] [ 24 ]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等価であることは容易に示される。このようなプラズマは弱結合プラズマと呼ばれる。[ 31 ]
  • バルク相互作用：デバイ長はプラズマの物理的サイズよりもはるかに小さい。この基準は、プラズマのバルク内部における相互作用が、境界効果が生じる可能性のあるエッジ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場合、プラズマは準中性である。[ 32 ]
  • 無衝突性：電子プラズマ周波数​​（電子のプラズマ振動を測定）は、電子-中性粒子衝突周波数よりもはるかに大きい。この条件が成立する場合、通常の気体運動過程は静電相互作用によって支配される。このようなプラズマは無衝突性と呼ばれる。[ 33 ]

非中性プラズマ

電気力の強さと範囲、そしてプラズマの良好な導電性により、通常、ある程度の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」）。電荷密度が著しく過剰であるプラズマ、あるいは極端な場合には単一の種からなるプラズマは、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挙げられます。[ 34 ]

ダスティプラズマ

ダストプラズマは、宇宙空間でよく見られる微小な荷電粒子であるダストを含んでいます。ダスト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。実験室環境では、ダストプラズマは複合プラズマとも呼ばれます。[ 35 ]

プロパティとパラメータ

地球のプラズマの泉を描いたアーティストによる想像図。地球の極付近から宇宙空間に噴出する酸素、ヘリウム、水素イオンを示している。北極上に見える淡い黄色の領域は、地球から宇宙空間に失われたガスを表し、緑色の領域はオーロラで、プラズマエネルギーが大気圏に戻ってくる。[ 36 ]

密度とイオン化度

プラズマが存在するためには電離が必要です。「プラズマ密度」という用語自体は、通常、電子密度、つまり単位体積あたりの電荷を担う電子の数を指します。電離度は、電離される中性粒子の割合として定義されます。 ne{\displaystyle n_{e}}α{\displaystyle \alpha}

α＝n私n私+nn、{\displaystyle \alpha ={\frac {n_{i}}{n_{i}+n_{n}}},}

ここで、 はイオン密度、 は中性密度（単位体積あたりの粒子数）です。完全に電離した物質の場合、 となります。プラズマの準中性性により、電子密度とイオン密度は の関係にあります。ここで、は平均イオン電荷（素電荷を単位とします）です。 n私{\displaystyle n_{i}}nn{\displaystyle n_{n}}α＝1{\displaystyle \alpha =1}ne＝⟨Z私⟩n私{\displaystyle n_{e}=\langle Z_{i}\rangle n_{i}}⟨Z私⟩{\displaystyle \langle Z_{i}\rangle }

温度

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、電子温度と電離エネルギー（より弱い影響として密度による影響もあります）の相対的な関係によって決まります。熱平衡状態において、この関係はサハの式で与えられます。低温では、イオンと電子は再結合して束縛状態（原子[ 37 ] ）になりやすく、プラズマは最終的に気体になります。

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、それら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差が大きいため、それらの温度は異なる場合があり、場合によっては大きく異なることがあります。これは特に弱電離した技術的プラズマでよく見られ、イオンはしばしば周囲温度に近いのに対し、電子は数千ケルビンに達します。[ 38 ]反対のケースはZピンチプラズマで、イオンの温度が電子の温度を超えることがあります。[ 39 ]

プラズマ電位

地球表面に存在するプラズマの例としての雷：通常、雷は30キロアンペア、最大100メガボルトの電流を放電し、電波、光、X線、さらにはガンマ線を放射します。[ 40 ]プラズマの温度は30000 Kに近づき、電子密度は10 24 m −3を超えることもあります。

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。帯電粒子間の空間における平均電位は、測定方法に関わらず、「プラズマ電位」または「空間電位」と呼ばれます。プラズマに電極を挿入すると、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、電界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まれます。これは、負電荷の密度はプラズマの大部分において正電荷の密度とほぼ等しい（）と定義されますが、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というものです。二重層が形成される特殊なケースでは、電荷の分離は数十デバイ長に及ぶことがあります。[ 41 ]ne＝⟨Z⟩n私{\displaystyle n_{e}=\langle Z\rangle n_{i}}

電位と電場の大きさは、単に正味の電荷密度を求めるだけでは不十分です。よくある例としては、電子がボルツマンの関係を満たすと仮定することが挙げられます。 ne∝経験⁡（eΦ/けBTe）。{\displaystyle n_{e}\propto \exp(e\Phi /k_{\text{B}}T_{e}).}

この関係を微分すると、密度から電界を計算する手段が得られます。 E→＝けBTee∇nene。{\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す。例えば、電子ビームは負の電荷しか持ちません。非中性プラズマの密度は一般的に非常に低く、あるいは非常に小さくなければなりません。そうでなければ、反発する静電力によって散逸してしまいます。[ 42 ]

磁化

荷電粒子の存在により、プラズマは磁場を生成し、またその影響を受ける。荷電粒子の運動に影響を与えるほどの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、粒子が衝突する前に平均して磁力線の周りを少なくとも1回転すること、すなわち 、ここでは電子のジャイロ周波数、は電子の衝突率である。電子は磁化されているがイオンは磁化されていないというケースはよくある。磁化されたプラズマは異方性 であり、磁場に平行な方向と垂直な方向の特性が異なることを意味する。プラズマの高い導電性のためプラズマ内の電場は通常は小さいが、磁場中を速度 で移動するプラズマに関連する電場は通常のローレンツの式で与えられ、デバイ遮蔽の影響を受けない。[ 43 ]νce/νcoll>1{\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }/\nu _{\mathrm {coll} }>1}νce{\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }}νcoll{\displaystyle \nu _{\mathrm {coll} }}v{\displaystyle \mathbf {v} }B{\displaystyle \mathbf {B} }E＝−v×B{\displaystyle \mathbf {E} =-\mathbf {v} \times \mathbf {B} }

数学的記述

プラズマ中に発生する沿磁力線ビルケランド電流における複雑な自己収縮磁力線と電流経路。 [ 44 ]

プラズマの状態を完全に記述するには、プラズマ領域内の電磁場を記述するすべての粒子の位置と速度を記述する必要があります。しかし、プラズマ内のすべての粒子を追跡することは一般的に現実的でも必要でもありません。そのため、プラズマ物理学者は一般的に、より簡略化した記述を用いています。これには主に2つの種類があります。

流体モデル

流体モデルは、密度や各位置の周りの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つである電磁流体力学は、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2流体プラズマであり、[ 45 ]イオンと電子が別々に記述されます。流体モデルは、衝突性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くなる場合に正確であることが多いです。流体モデルは通常、各空間位置で特定の温度にある単一の流れとしてプラズマを記述するため、ビームや二重層のような速度空間構造を捉えることも、波動粒子効果を解決することもできません。

運動モデル

運動モデルはプラズマ内の各点における粒子の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がない。衝突のないプラズマでは、運動モデルによる記述がしばしば必要となる。プラズマの運動モデルによる記述には、一般的に 2 つのアプローチがある。1 つは、滑らかな分布関数を速度と位置のグリッド上で表すものである。もう 1 つは粒子インセル(PIC) 技法として知られ、多数の個々の粒子の軌跡を追うことで運動情報を組み込む。運動モデルは一般に、流体モデルよりも計算負荷が高い。ブラソフ方程式は、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使用できる。磁化プラズマでは、ジャイロ運動学的アプローチにより、完全な運動シミュレーションの計算コストを大幅に削減できる。

プラズマ科学技術

プラズマは、宇宙プラズマ物理学などのいくつかのサブ分野を含むプラズマ科学またはプラズマ物理学という広大な学術分野で研究されています。

プラズマは自然界でさまざまな形と場所で出現しますが、次の表にいくつかの例を示します。

血漿の一般的な形態
人工的に生成された 地球プラズマ 宇宙および天体物理学的プラズマ

宇宙と天体物理学

プラズマは、可視宇宙で観測される物質の99%以上を構成します。[ 46 ]地球の表面上では、電離層はプラズマであり、[ 47 ]磁気圏はプラズマを含みます。[ 48 ]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、太陽の表面からヘリオポーズまで広がっています。さらに、すべての遠方の恒星、および星間空間または銀河間空間の大部分も、密度が非常に低いとはいえ、プラズマで満たされています。天体物理学的プラズマは、恒星の周りの降着円盤や、白色矮星、中性子星、または近接連星系のブラックホールなどのコンパクトな天体でも観測されています。 [ 49 ]プラズマは天体ジェット内の物質の噴出と関連しており、ブラックホールの集積で観測されている[ 50 ]か、おそらく5000光年まで広がるM87のジェットのような活動銀河でも観測されている[ 51 ] 。

人工プラズマ

ほとんどの人工プラズマは、ガスに電界または磁界を印加することで生成されます。実験室や産業用途で生成されるプラズマは、一般的に以下の種類に分類されます。

  • プラズマを生成するために使用される電源の種類 - DC、AC（通常は無線周波数（RF）を使用）、マイクロ波
  • 動作圧力 - 真空圧（< 10 mTorrまたは1 Pa）、中圧（≈1 Torrまたは100 Pa）、大気圧（760 Torrまたは100 kPa）
  • プラズマ内の電離の程度（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（）、非熱プラズマまたは「冷たい」プラズマ（）Te＝T私＝Tガス{\displaystyle T_{e}=T_{i}=T_{\text{ガス}}}Te≫T私＝Tガス{\displaystyle T_{e}\gg T_{i}=T_{\text{ガス}}}
  • プラズマを生成するために使用される電極構成
  • プラズマ内の粒子の磁化 - 磁化（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る）、部分磁化（電子は磁場に捕捉されるがイオンは捕捉されない）、非磁化（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生成する可能性がある）

人工プラズマの生成

ジェイコブズラダーによって空気中に生成される人工プラズマ
ジェイコブズラダーによって空気中に生成される人工プラズマ

プラズマの多様な用途と同様に、その生成方法も複数存在します。しかし、それら全てに共通する原理が一つあります。それは、プラズマを生成し維持するためにエネルギーを投入する必要があるということです。[ 52 ]この場合、プラズマは、隣の図に示すように、誘電体ガスまたは流体（非導電性材料）に電流を流すことで生成されます。この図では、放電管を簡単な例として示しています（簡略化のため直流電流を使用しています）。

電位差とそれに伴う電界は、束縛電子（負）を陽極（正極）へと引き寄せ、陰極（負極）は原子核を引き寄せます。[ 53 ]電圧が増加すると、電流は材料に（電気分極によって）誘電限界（強度と呼ばれる）を超えて応力を加え、電気火花を特徴とする絶縁破壊の段階へと導きます。この段階では、材料は絶縁体から導体へと変化します（イオン化が進むにつれて）。この基礎となる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（右図を参照）。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「約20回の連続衝突後」にのみ急速に（数百万個単位）増加します。[ 54 ]これは主に平均自由行程（衝突間の平均移動距離）が短いためです。

電気アーク
イオン化のカスケード過程。電子は「e−」、中性原子は「o」、陽イオンは「+」。
2つの電極間の雪崩効果。最初の電離現象によって1つの電子が解放され、その後の衝突ごとにさらに1つの電子が解放されるため、衝突ごとに電離電子と解放電子の2つの電子が発生します。

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。十分な電流密度がある場合、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、熱アークという様々な段階を経ます。電圧は飽和段階で最大となり、その後、様々な段階の変動を経る一方で、電流は徐々に増加します。[ 54 ] 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、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、電子は高い移動性と多数のため、重い粒子との弾性衝突によって電気エネルギーを急速に分散させることができます。 [ 55 ]

産業用プラズマの例

プラズマは、多くの研究、技術、産業の分野で応用されています。例えば、工業用および抽出冶金、[ 55 ] [ 56 ]プラズマ溶射（コーティング）などの表面処理、マイクロエレクトロニクスにおけるエッチング、 [ 57 ]金属切断[ 58 ]および溶接、さらに日常の自動車の排気ガス浄化や蛍光灯/発光灯[ 52 ]燃料点火、さらには航空宇宙工学のための超音速燃焼エンジンにも応用されています。[ 59 ]

低圧排出
  • グロー放電プラズマ：2つの金属電極間のギャップに直流または低周波RF（<100 kHz）電界を印加することで生成される非熱プラズマ。おそらく最も一般的なプラズマであり、蛍光灯内で生成されるプラズマの一種である。 [ 60 ]
  • 容量結合プラズマ（CCP）：グロー放電プラズマに似ていますが、高周波RF電界（典型的には13.56MHz）によって生成されます。グロー放電とは異なり、シースの強度ははるかに低いです。微細加工や集積回路製造産業において、プラズマエッチングやプラズマ強化化学気相成長法（PCVD）に広く使用されています。 [ 61 ]
  • カスケードアークプラズマ源: 低温 (≈1eV) 高密度プラズマ (HDP) を生成する装置。
  • 誘導結合プラズマ（ICP）：CCPに似ており、用途も似ていますが、電極はプラズマが形成されるチャンバーの周りに巻かれたコイルで構成されています。 [ 62 ]
  • 波動加熱プラズマ：CCPやICPと同様に、典型的にはRF（またはマイクロ波）である。例としては、ヘリコン放電や電子サイクロトロン共鳴（ECR）などが挙げられる。 [ 63 ]
大気圧
  • アーク放電：これは非常に高温（≈10,000 K）の高出力熱放電です。様々な電源を用いて生成できます。冶金プロセスで広く利用されています。例えば、Al 2 O 3を含む鉱物を精錬してアルミニウムを製造する際に用いられます。
  • コロナ放電：鋭利な電極先端に高電圧を印加することで発生する非熱放電。オゾン発生器や粒子集塵装置によく用いられる。
  • 誘電体バリア放電（DBD）：これは、小さなギャップに高電圧を印加することで発生する非熱放電であり、非導電性コーティングがプラズマ放電のアークへの遷移を阻止します。産業界ではしばしば「コロナ」放電と誤称されますが、コロナ放電と同様の用途があります。この放電の一般的な用途は、車両の抗力低減のためのプラズマアクチュエータです。 [ 64 ]また、織物のウェブ処理にも広く使用されています。 [ 65 ]合成繊維やプラスチックにこの放電を適用すると、表面が機能化し、塗料、接着剤などの材料を接着できるようになります。 [ 66 ]誘電体バリア放電は、1990年代半ばに低温大気圧プラズマが細菌細胞の不活性化に有効であることを示すために使用されました。 [ 67 ]この研究とその後の哺乳類細胞を用いた実験により、プラズマ医学と呼ばれる新しい研究分野が確立されました。誘電体バリア放電構成は、低温プラズマジェットの設計にも使用されました。これらのプラズマジェットはプラズマ弾として知られる高速伝播する誘導電離波によって生成される。 [ 68 ]
  • 容量性放電：これは、高周波電力（例えば13.56MHz ）を印加することによって生成される非熱プラズマである。このような放電は、通常、ヘリウムやアルゴンなどの希ガスを用いて安定化される。 [ 69 ]
  • 「圧電直接放電プラズマ」とは、圧電トランス（PT）の高圧側で生成される非熱プラズマです。この発電方式は、別途高電圧電源を必要としない高効率かつコンパクトなデバイスに特に適しています。

MHDコンバータ

1960年代には、MHD電力変換を新しいタイプの商用発電所に導入し、可動部品なしで高効率に高速プラズマの運動エネルギーを電力に変換することを目的とした、電磁流体力学変換器の研究に向けた世界的な取り組みが始まりました。また、超音速および極超音速の空気力学分野でも、プラズマと磁場の相互作用を研究し、最終的には車両や発射体の周囲における受動的、さらには能動的な流れ制御を実現することで、衝撃波を緩和・緩和し、熱伝達を低下させ、抗力を低減することを目指しました。

「プラズマ技術」（「技術的」または「工学的」プラズマ）で使用されるこのような電離ガスは、通常、ガス分子のごく一部のみが電離しているという意味で弱電離ガスである。 [ 70 ]この種の弱電離ガスは非熱的「冷たい」プラズマでもある。磁場の存在下では、このような磁化された非熱的弱電離ガスの研究には、低磁気レイノルズ数を伴う抵抗性磁気流体力学が含まれる。これは、計算に7次元位相空間における二項テンソルが必要となるプラズマ物理学の難しい分野である。高いホールパラメータと組み合わせて使用​​すると、臨界値によって問題となる電熱不安定性が引き起こされ、これがこれらの技術開発の制限となっていた。

複雑なプラズマ現象

プラズマを支配する基礎方程式は比較的単純であるが、プラズマの挙動は非常に多様かつ微妙である。単純なモデルから予期せぬ挙動が出現することは、複雑系の典型的な特徴である。このような系は、ある意味では秩序ある挙動と無秩序な挙動の境界にあり、通常、単純で滑らかな数学的関数や純粋なランダム性では記述できない。幅広い長さスケールで興味深い空間的特徴が自発的に形成されることは、プラズマの複雑性の 1 つの現れである。これらの特徴が興味深いのは、たとえば、非常に鋭敏であったり、空間的に断続的であったり（特徴間の距離が特徴自体の距離よりはるかに大きい）、フラクタル形状をしていたり​​するからである。これらの特徴の多くは、最初に実験室で研究され、その後、宇宙全体で認識されるようになった。プラズマの複雑性と複雑な構造の例には、次のものがある。

フィラメント化

縞模様や紐状の構造[ 71 ]は、プラズマボール、オーロラ[ 72 ]雷[ 73 ]電弧、太陽フレア[ 74 ]超新星残骸[ 75 ]など、多くのプラズマで見られます。これらは、より大きな電流密度と関連していることもあり、磁場との相互作用によって磁気ロープ構造が形成されることがあります。 [ 76 ] （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現象とも呼ばれます。高出力では、屈折率の非線形部分が重要になり、レーザービーム中心部の屈折率が上昇します。中心部ではレーザーが周辺部よりも明るくなり、フィードバック効果によってレーザーがさらに集束します。レーザーが集中すると、ピーク輝度（放射照度）が上昇し、プラズマが形成されます。プラズマの屈折率は1未満であるため、レーザービームの焦点がぼけます。集束屈折率と焦点がぼけたプラズマの相互作用により、長さがマイクロメートルからキロメートルに及ぶ長いプラズマフィラメントが形成されます。 [ 77 ]フィラメンテーションによって生成されるプラズマの興味深い点の1つは、イオン化電子の焦点ぼけ効果によりイオン密度が比較的低くなることです。[ 78 ] （フィラメント伝播も参照）

不浸透性血漿

不浸透性プラズマは、熱プラズマの一種であり、ガスまたは冷プラズマに対して不浸透性固体のように振る舞い、物理的に押し出すことができます。冷ガスと熱プラズマの相互作用は、1960年代から1970年代にかけて、ハンネス・アルヴェ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の可能性について短期間研究されました。[ 79 ]しかし、後に、この構成における外部磁場がプラズマにキンク不安定性を誘発し、結果として壁への予想外に大きな熱損失をもたらす可能性があることが判明しました。[ 80 ]

2013年、材料科学者グループは、超高圧の冷ガスブランケットのみを用いて、磁気閉じ込めのない安定した不浸透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特性に関する分光学的データの取得は困難とされていたが、様々なナノ構造の合成におけるプラズマの受動的な効果は、効果的な閉じ込めを明確に示唆していた。また、数十秒間不浸透性を維持すると、プラズマとガスの界面におけるイオンの遮蔽によって、強い二次加熱モード（粘性加熱として知られる）が発生し、反応速度論の変化と複雑なナノ材料の形成につながることを明らかにした。[ 81 ]

参照

物質の相転移（
）
に
から
固体液体ガスプラズマ
固体
溶融昇華
液体 凍結
気化
ガス 証言録取結露
イオン化
プラズマ 組み換え

注記

参考文献

  1. ^ヘンリー・リデル;ロバート・スコット;ヘンリー・ジョーンズ（1940年）。スピロス・ドイカス（編）。「πλάσμα」。リデル、スコット、ジョーンズ古代ギリシャ語辞典。2023 年2 月 10 日に取得。Πλάτων Θεαίτητος ΣΩ。 Πάλιν δή, ὥσπερ ἐν τοῖς πρόσθεν κήρινόν τι ἐν ταῖς ψυχαῖς κατεσκευάζομεν οὐκ οἶδ' ὅτι πλάσμα , νῦν αὖ ἐν ἑκάστῃ ψυχῇ ποιήσωμεν περιστερεῶνά τινα παντοδαπῶν ὀρνίθων, τὰς μὲν κατ' ἀγέλας οὔσας χωρὶς τῶν ἄλλων, τὰς δὲ κατ' ὀλίγας, ἐνίας δὲ μόνας διὰ πασῶν ὅπῃ ἂν τύχωσι πετομένας 。
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