暴走電子

逃走電子（RE）という用語は、自由落下加速によって相対論的粒子の領域へと移動した電子を指すために使用されます。REは、熱的（低エネルギー）または相対論的に分類されます。逃走電子の研究は、高エネルギー大気物理学の理解に不可欠であると考えられています。[ 1 ]逃走電子はトカマク型核融合装置でも見られ、原子炉に損傷を与える可能性があります。

稲妻

暴走電子は、暴走破壊に基づく雷伝播理論の中核を成す要素である。 1925年のCTRウィルソンの研究[ 2 ]以来、宇宙線由来であろうとなかろうと、暴走電子が雷の発生に必要なプロセスを開始する可能性を研究してきた。[ 3 ]

地球外現象

電子暴走による雷は、地球に加えて4つの巨大惑星でも発生している可能性があります。シミュレーション研究では、これらのガス惑星では暴走破壊の閾値が地球よりもはるかに低いため、暴走破壊プロセスが地球よりもはるかに容易に発生する可能性が高いと予測されています。[ 4 ]

高エネルギープラズマ

暴走電子現象は高エネルギープラズマで観測されている。この現象は、 ITERを含むプラズマが存在する装置や実験にとって脅威となる可能性がある。これらの環境（トカマク）における暴走電子の特性を調査し、望ましくない暴走電子の有害な影響をより効果的に抑制する研究がいくつか行われている。 [ 5 ]最近の測定では、暴走電子プラトーにおける不純物イオンの拡散が予想以上に大きいことが明らかになった。これはおそらく乱流によるものと考えられる。破壊緩和技術における低原子番号（Z）ガス注入と高原子番号（Z）ガス注入の選択には、不純物イオン輸送をより深く理解する必要がある。なぜなら、これらのイオンは衝突時に完全に混合されない可能性があり、ITERのような大型トカマク概念における暴走電子による壁の損傷防止に影響を与えるからである。[ 6 ]

トカマクにおける暴走電子生成

電子が相対論的速度まで加速されるのは、電場の加速力がプラズマ中の他の粒子との衝突による制動力よりも強い場合です。電子が感じる摩擦力は、熱運動量に達するまで運動量とともに単調に増加し、その後は のように非常に小さいながらも有限な値まで減少します。したがって、十分に強い電場がある場合、加速力は最大摩擦力よりも大きくなり、電子が相対論的速度まで無限に加速されることになります。 p番目＝2メートルeTe{\displaystyle p_{\text{th}}={\sqrt {2m_{e}T_{e}}}}p→∞{\displaystyle p\to \infty }

速度を持った電子が暴走すると、 v≫v番目{\displaystyle v\gg v_{\text{th}}}

eE∥>e4neln⁡Λ4πε02メートルev2、{\displaystyle eE_{\Parallel }>{\frac {e^{4}n_{e}\ln \Lambda }{4\pi \varepsilon _{0}^{2}m_{e}v^{2}}},}

ここで、はそれぞれ電子の質量と数密度、素電荷、クーロン対数である。電子の速度は光速によって制限されるため、コナーとハスティー[ 7 ]によって導かれた、電子が暴走しない臨界電場値は メートルe{\displaystyle m_{e}}ne{\displaystyle n_{e}}e{\displaystyle e}ln⁡Λ{\displaystyle \ln \Lambda }c{\displaystyle c}

Ec＝e3neln⁡Λ4πε02メートルec2。{\displaystyle E_{c}={\frac {e^{3}n_{e}\ln \Lambda }{4\pi \varepsilon _{0}^{2}m_{e}c^{2}}}.}

暴走生成メカニズムには、暴走電子の存在に依存しない一次生成またはシード生成と、 既存の暴走電子集団を増幅する 二次生成またはアバランシェ増殖の 2 種類があります。

一次生成の一例としてはドライサー機構[ 8 ] [ 9 ]があり、衝突拡散過程によって電子分布を熱平衡状態に維持しようとし、暴走電子によって生じた「隙間」を埋める。

しかし、逃走電子の大部分は二次的なメカニズムによって生成される。ノックオン衝突は、一次的なメカニズムによって生成されるシード逃走電子の数を増加させる可能性がある。[ 10 ]さらに、逃走電子のエネルギーはプラズマ中のイオンの電離エネルギーよりもはるかに高いため、束縛電子も雪崩過程に寄与する可能性がある。

コンピュータと数値シミュレーション

この非常に複雑な現象は従来のシステムではモデル化が困難であることが判明していますが、世界最強のスーパーコンピュータによって部分的にモデル化されています。[ 11 ] さらに、電子暴走の側面は、人気のある粒子物理学モデリングモジュールGeant4を使用してシミュレートされています。[ 12 ]

宇宙実験

参考文献

  1. ^ Dwyer, Joseph R.; Smith, David M.; Cummer, Steven A. (2012年11月1日). 「高エネルギー大気物理学：地上ガンマ線フラッシュと関連現象」 . Space Science Reviews . 173 ( 1–4 ): 133– 196. Bibcode : 2012SSRv..173..133D . doi : 10.1007/s11214-012-9894-0 . ISSN  0038-6308 .
  2. ^ Wilson, CTR (1925). 「雷雲のような強い電場におけるβ粒子の加速」Proc. Cambridge Philos. Soc . 22 (4): 534– 538. Bibcode : 1925PCPS...22..534W . doi : 10.1017/s0305004100003236 . S2CID 121202128 . 
  3. ^ Gurevich, Av; Milikh, Gm; Roussel-Dupre, R. (1992). 「雷雨時の空気のブレークダウンと前処理における暴走電子のメカニズム」. Physics Letters . 165.5 ( 5– 6): 463. Bibcode : 1992PhLA..165..463G . doi : 10.1016/0375-9601(92)90348-p .
  4. ^ Dwyer, J; Coleman, L; Lopez, R; Saleh, Z; Concha, D; Brown, M; Rassoul, H (2006). 「木星大気における暴走ブレークダウン」 .地球物理学研究論文集. 33 (22): L22813. Bibcode : 2006GeoRL..3322813D . doi : 10.1029/2006gl027633 .
  5. ^ Reux, C.; Plyusnin, V.; Alper, B.; Alves, D.; Bazylev, B.; Belonohy, E.; Boboc, A.; Brezinsek, S.; Coffey, I.; Decker, J (2015-09-01). 「JET-ILWにおけるディスラプション発生時の暴走電子ビーム生成と緩和」 . Nuclear Fusion . 55 (9) 093013. Bibcode : 2015NucFu..55i3013R . doi : 10.1088/0029-5515/55/9/093013 . hdl : 11858/00-001M-0000-0029-04D1-5 . ISSN 0029-5515 . S2CID 92988022。  
  6. ^ Hollmann, EM; Bortolon, A.; Effenberg, F.; Eidietis, N.; Shiraki, D.; Bykov, I.; Chapman, BE; Chen, J.; Haskey, S.; Herfindal, J.; Lvovskiy, A.; Marini, C.; McLean, A.; O'Gorman, T.; Pandya, MD; Paz-Soldan, C.; Popović, Ž. (2022-02-02). 「DIII-Dにおける暴走電子プラトーにおける不純物イオン輸送の動的測定」核融合29 (2): 022503. Bibcode : 2022PhPl...29b2503H . doi : 10.1063/5.0080385 . S2CID 246504822。 
  7. ^ Connor, JW; Hastie, RJ (1975-06-01). 「暴走電子に対する相対論的限界」 .核融合. 15 (3): 415– 424. doi : 10.1088/0029-5515/15/3/007 . ISSN 0029-5515 . 
  8. ^ Dreicer, H. (1959-07-15). 「完全電離ガス中の電子とイオンの暴走 I」 . Physical Review . 115 (2): 238– 249. doi : 10.1103/PhysRev.115.238 . ISSN 0031-899X . 
  9. ^ Dreicer, H. (1960-01-15). 「完全電離ガス中の電子とイオンの暴走 II」 . Physical Review . 117 (2): 329– 342. doi : 10.1103/PhysRev.117.329 . ISSN 0031-899X . 
  10. ^ Jayakumar, R.; Fleischmann, HH; Zweben, SJ (1992-07-01).帯電プラズマ中の逃走電子の衝突雪崩指数関数（報告書）. 科学技術情報局（OSTI）.
  11. ^ Levko; Yatom; Vekselman; Glezier; Gurovich; Krasik (2012). 「加圧ガス中における暴走電子発生の数値シミュレーション」. Journal of Applied Physics . 111 (1): 013303–013303–9. arXiv : 1109.3537 . Bibcode : 2012JAP...111a3303L . doi : 10.1063/1.3675527 . S2CID 119256027 . 
  12. ^ Skeltved, Alexander Broberg; Østgaard, Nikolai; Carlson, Brant; Gjesteland, Thomas; Celestin, Sebastien (2014). 「GEANT4を用いた相対論的暴走電子雪崩とフィードバック機構のモデリング」 . Journal of Geophysical Research: Space Physics . 119 (11 ) : 9174– 9191. arXiv : 1605.07771 . Bibcode : 2014JGRA..119.9174S . doi : 10.1002/2014JA020504 . PMC 4497459. PMID 26167437 .  
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