イオン音波

イオン音波(イオンおんぱ、ion acoustic wave)とは、プラズマ中を伝わる低周波の静電波であり、通常の流体中の音波のプラズマ版にあたるものである。イオンの慣性と、電子の圧力(熱運動)がイオンを押し戻す復元力とによって支えられ、イオン音速と呼ばれる速度で伝搬する。波長がイオンのデバイ長より長い極限では分散関係はほぼ音波型となり、位相速度は電子温度をイオン質量で規格化した量で決まる。この波はプラズマの最も基本的な固有モードの一つであり、線形波としての分散と減衰、非線形ソリトンや衝撃波、二重層といった構造の形成、ビームや電流によって駆動される不安定化、そしてプラズマ診断への応用まで、極めて広い範囲で研究されてきた。

線形イオン音波の物理

イオン音波の基本的な描像は次の通りである。イオンの密度擾乱が生じると、電子は質量が軽いためほぼ瞬時にボルツマン分布に従って再配列し、擾乱を遮蔽しつつ電場を生じる。この電場がイオンを加速・減速して密度擾乱を伝播させる。波長が長い極限での分散関係は ω ≈ k·c_s という音波型であり、イオン音速 c_s は電子温度 T_e とイオン質量 m_i を用いて c_s ≈ √(T_e/m_i) のオーダーで与えられる(イオンの温度も復元力に寄与する場合にはその項が加わる)。ここで重要なのは、電子が「熱い」ほど復元力が強く、イオンが「重い」ほど応答が遅いという直感的な質量スケーリングがそのまま現れる点である。波長がデバイ長に近づくと電子の遮蔽が不完全になり、分散性(位相速度が波数に依存する性質)が現れる。

電子の速度分布がマクスウェル分布から外れる場合、例えば高エネルギー裾を持つカッパ分布や非熱的電子を含むプラズマでは、遮蔽のされ方と電子圧力の応答が変わり、分散関係や非線形構造の性質が修正される。また電子と陽電子が共存する電子・陽電子・イオンプラズマ、負イオンを含むプラズマ、塵粒子を含むダスティプラズマでは、イオン音波に対応するモードが複数現れたり、塵の電荷によって実効的な遮蔽条件が変わったりする。ダスティプラズマにおける「ダストイオン音波」は、塵粒子が静的な負電荷源として働くことで通常のイオン音波と同様のモードが塵の存在下で成立したものであり、その名で呼ばれる分野を形成している。

磁場が存在する場合、イオン音波は磁力線に沿ってはほぼ音波として伝わるが、斜め方向にはイオンのラーマ運動との共鳴条件が効き、伝搬特性が角度に依存するようになる。さらに量子プラズマや縮退プラズマでは、電子の縮退圧力や交換相関効果が復元力に加わり、半導体プラズマのような固体中のキャリア系でも同種の波が議論される。

減衰機構

イオン音波の減衰には大きく分けて二つの機構がある。第一はである。イオン音波の位相速度は電子の熱速度よりずっと遅く、イオンの熱速度と同程度になりうるため、イオンのランダウ減衰が本質的に重要になる。位相速度と同程度の速度を持つイオンは波と共鳴し、波の位相との相対関係に応じてエネルギーを奪う(または与える)。電子側の寄与は一般に小さいが、電子分布の裾の形(超熱的成分の有無)によって変化する。第二は衝突による減衰、すなわちイオン・中性粒子間あるいはイオン・イオン間の衝突による粘性的な散逸である。