Un plasma polvoriento es un plasma que contiene partículas de tamaño micrométrico (10 −6 ) a nanométrico (10 −9 ) suspendidas en él. Las partículas de polvo están cargadas y el plasma y las partículas se comportan como un plasma. [1] [2] Las partículas de polvo pueden formar partículas más grandes que dan lugar a "plasmas de grano". Debido a la complejidad adicional de estudiar plasmas con partículas de polvo cargadas, los plasmas polvorientos también se conocen como plasmas complejos . [3] : 2
Los plasmas polvorientos se encuentran en:
Los plasmas polvorientos son interesantes porque la presencia de partículas altera significativamente el equilibrio de partículas cargadas, lo que conduce a diferentes fenómenos. Es un campo de investigación actual. El acoplamiento electrostático entre los granos puede variar en un amplio rango, de modo que los estados del plasma polvoriento pueden cambiar de débilmente acoplado (gaseoso) a cristalino. Dichos plasmas son de interés como un sistema no hamiltoniano de partículas en interacción y como un medio para estudiar la física fundamental genérica de la autoorganización , la formación de patrones, las transiciones de fase y el escalamiento .
La temperatura del polvo en un plasma puede ser muy diferente a la de su entorno. Por ejemplo:
El potencial eléctrico de las partículas de polvo es típicamente de 1 a 10 V (positivo o negativo). El potencial suele ser negativo porque los electrones son más móviles que los iones. La física es esencialmente la de una sonda Langmuir que no consume corriente neta, incluida la formación de una vaina de Debye con un espesor de unas pocas veces la longitud de Debye . Si los electrones que cargan los granos de polvo son relativistas, entonces el polvo puede cargarse a varios kilovoltios. [6] La emisión de electrones de campo , que tiende a reducir el potencial negativo, puede ser importante debido al pequeño tamaño de las partículas. El efecto fotoeléctrico y el impacto de iones positivos pueden en realidad resultar en un potencial positivo de las partículas de polvo.
El interés en la dinámica del polvo cargado en plasmas se amplificó con la detección de radios en los anillos de Saturno. [3] : 85 El movimiento de partículas sólidas en un plasma sigue la siguiente ecuación:
donde los términos son para la fuerza de Lorentz, las fuerzas gravitacionales, las fuerzas debidas a la presión de radiación, las fuerzas de arrastre y la fuerza termoforética respectivamente. [3] : 70
La fuerza de Lorentz , las contribuciones de la fuerza eléctrica y magnética, viene dada por:
donde E es el campo eléctrico, v es la velocidad y B es el campo magnético. [3] : 71
es la suma de todas las fuerzas gravitacionales que actúan sobre la partícula de polvo, ya sea de planetas, satélites u otras partículas [3] : 75, 76 y es la contribución de fuerza de la presión de radiación. Esto se expresa como:
La dirección del vector de fuerza es la de la radiación incidente del flujo de fotones . El radio de la partícula de polvo es . [3] : 83
Para la fuerza de arrastre hay dos componentes principales de interés, aquellos de las interacciones entre iones positivos y partículas de polvo, y las interacciones entre partículas de polvo neutrales. [3] : 76 Las interacciones entre iones y polvo se dividen además en tres interacciones diferentes, a través de colisiones regulares, a través de modificaciones de la envoltura de Debye, y a través de colisiones de Coulomb . [3] : 77
La fuerza termoforética es la fuerza que surge del gradiente neto de temperatura que puede estar presente en un plasma y el desequilibrio de presión subsiguiente, lo que hace que se imparta más impulso neto a partir de colisiones desde una dirección específica. [3] : 80
Luego, dependiendo del tamaño de la partícula, hay cuatro categorías:
Los plasmas polvorientos se estudian a menudo en laboratorios. Las partículas de polvo se pueden cultivar dentro del plasma o se pueden insertar micropartículas . Por lo general, se utiliza un plasma de baja temperatura con un bajo grado de ionización. Las micropartículas se convierten entonces en el componente dominante en lo que respecta al transporte de energía y momento, y pueden considerarse esencialmente como un sistema de una sola especie. Este sistema puede existir en las tres fases clásicas , sólida, líquida y gaseosa, y se puede utilizar para estudiar efectos como la cristalización, la propagación de ondas y choques, la propagación de defectos, etc.
Cuando se utilizan partículas de tamaño micrométrico, es posible observar las partículas individuales. Su movimiento es lo suficientemente lento como para poder observarlo con cámaras convencionales y se puede estudiar la cinética del sistema. Sin embargo, para partículas de tamaño micrométrico, la gravedad es una fuerza dominante que perturba el sistema. Por ello, a veces se realizan experimentos en condiciones de microgravedad durante vuelos parabólicos o a bordo de una estación espacial .
El polvo también juega un papel importante en la investigación del plasma de fusión . La generación de energía de fusión por confinamiento magnético requiere quemar descargas de plasma DT durante períodos prolongados, como se anticipa para ITER y cualquier planta piloto de fusión . Sin embargo, esto presenta desafíos relacionados con la formación de polvo dentro de la cámara de vacío, lo que causa impurezas y afecta el rendimiento. [7] [8] Las partículas de polvo, que varían de tamaño nanométrico a milimétrico, se pueden producir debido al daño a los componentes orientados al plasma (PFC) causado por altos flujos de partículas y calor. En dispositivos de fusión como ITER, las interrupciones causadas por el polvo podrían dañar significativamente los PFC, y se deben cumplir los límites de inventario de polvo en el recipiente. En algunos casos, el polvo (polvos) puede desempeñar un papel positivo, como el acondicionamiento de la pared in situ, la supresión de modos localizados en el borde y la reducción de los flujos de calor al divertor . [9] [10]
