The sheaths that occur at surfaces in laboratory and space plasmas are reviewed with an emphasis on numerical models that can be solved with modest computational resources. The surfaces in plasma may be the interior walls of confinement devices or inserted probes. Fluid and kinetic models are presented in some detail, and particle-in-cell models are discussed briefly. The numerical methods find the spatial profile of the potential, the particle densities near the surfaces and the current to the surfaces. Maxwellian electrons and cold ions are assumed at the outset and subsequently the models are expanded to encompass (1) multiple electron populations, (2) multiple ion species, (3) finite ion temperature, (4) surfaces that emit electrons such as heated cathodes or emissive probes and (5) surfaces that emit plasma as in the Q-machine. These complications may produce nonmonotonic sheaths in which the first derivative of the potential changes sign or double layers in which the second derivative changes sign. The effect of charge-exchange collisions on ion losses to the wall and on ion current to probes is discussed, but models with collisions of electron are omitted. Some recent advances are discussed, including experiments that measure the ion distribution function in sheaths using laser-induced fluorescence, experiments and numerical models on sheaths with multiple ion species and computational models of sheaths surrounding objects in flowing plasma.
実験室および宇宙プラズマ中の表面に生じるシースについて、適度な計算資源で解くことができる数値モデルに重点を置いて概説する。プラズマ中の表面は、閉じ込め装置の内壁または挿入されたプローブであり得る。流体モデルと運動論モデルをかなり詳細に提示し、粒子セルモデルについても簡潔に議論する。数値手法により、電位の空間分布、表面近傍の粒子密度、および表面への電流が求められる。当初はマクスウェル電子と冷たいイオンを仮定し、その後、モデルを拡張して、(1) 複数の電子集団、(2) 複数のイオン種、(3) 有限のイオン温度、(4) 加熱陰極やエミッシブプローブなどの電子を放出する表面、および (5) Qマシンにおけるようなプラズマを放出する表面、を包含する。これらの複雑性により、電位の一次導関数が符号を変える非単調シースや、二次導関数が符号を変える二重層が生じ得る。壁へのイオン損失およびプローブへのイオン電流に対する電荷交換衝突の影響について議論するが、電子の衝突を伴うモデルは省略する。最近の進歩についていくつか議論する。これには、レーザー誘起蛍光を用いたシース内のイオン分布関数の測定実験、複数のイオン種を有するシースに関する実験および数値モデル、ならびに流動プラズマ中の物体を取り巻くシースの計算モデルが含まれる。