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Sheath constraints on turbulent magnetised plasmas

A Geraldini, S Brunner, F I Parra2024年10月Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

A solid target in contact with a plasma charges (negatively) to reflect the more mobile species (electrons) and thus keep the bulk plasma quasineutral. To shield the bulk plasma from the charged target, there is an oppositely (positively) charged sheath with a sharp electrostatic potential variation on the Debye length scale . In magnetised plasmas where the magnetic field is inclined at an oblique angle α with the target, some of the sheath potential variation occurs also on the ion sound gyroradius length scale , caused by finite ion gyro-orbit distortion and losses. We consider a collisionless and steady-state magnetised plasma sheath whose thickness is smaller than the characteristic length scale L of spatial fluctuations in the bulk plasma, such that the limit is appropriate. Spatial structures are assumed to be magnetic field-aligned. In the case of small magnetic field angle , electric fields tangential to the target transport ions towards the target via E × B drifts at a rate comparable to the one from parallel streaming. A generalised form of the kinetic Bohm–Chodura criterion at the sheath entrance is derived by requiring that the sheath electric field have a monotonic spatial decay far from the target. The criterion depends on tangential gradients of potential and ion distribution function, with additional nontrivial conditions.

日本語訳

プラズマと接触する固体ターゲットは、より移動しやすい粒子種(電子)を反射してバルクプラズマの準中性を保つために、(負に)帯電する。帯電したターゲットからバルクプラズマを遮蔽するために、デバイ長スケールで急峻な静電ポテンシャル変化を持つ、逆(正)に帯電したシースが存在する。磁場がターゲットに対して斜角αで傾斜している磁化プラズマでは、シース電位変化の一部は、有限のイオンジャイロ軌道の歪みと損失によって引き起こされ、イオン音響ジャイロ半径長スケールでも生じる。我々は、その厚さがバルクプラズマ中の空間変動の特性長スケールLよりも小さい、無衝突かつ定常状態の磁化プラズマシースを考える。このとき、極限が適切である。空間構造は磁場に沿って整列していると仮定される。磁場角が小さい場合、ターゲットに接線方向の電場は、平行方向の流れによるものと同等の割合で、E×Bドリフトによってイオンをターゲットに向かって輸送する。シース入口での運動論的Bohm–Chodura条件の一般化された形式は、シース電場がターゲットから遠方で単調な空間減衰を持つことを要求することにより導出される。この条件は、電位とイオン分布関数の接線方向勾配に依存し、さらなる非自明な条件を伴う。

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Plasma sheath
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