[論文レビュー] Viscosity of a multispecies plasma containing hydrogen and high-Z ions

M. Dorf|arXiv (Cornell University)|Aug 15, 2014

Dust and Plasma Wave Phenomena参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、水素および高Zイオンを含む多成分プラズマにおける粘性の詳細な理論的分析を提示する。運動論的理論を用いて粘性係数を導出し、D. リュトフの予測である、水素の存在が特に慣性核融合や天体物理学的プラズマに関連する高エネルギー密度（HED）状態の完全にイオン化されたプラズマで粘性を顕著に増大させることを確認・定量的に示している。

ABSTRACT

Materials containing hydrogen and high-Z ion species are used in a variety of high energy density physics (HED) applications, and it becomes increasingly important to investigate transport properties of these substances as they become fully-ionized multispecies plasmas. In particular, of significant practical interest, is the analysis of the plasma viscosity as it can determine stability and turbulence properties of the HED system. It has been pointed out by D. Ryutov [Phys. Plasmas 3, 4336 (1996)] that the presence of a substantial amount of hydrogen in a multispecies plasma can significantly enhance its viscosity. The present work reports on a detailed analysis of this effect and the accurate calculation of the corresponding viscosity coefficient.

研究の動機と目的

• 水素および高Zイオンを含む多成分プラズマの輸送特性、特に粘性を調査すること。
• 高エネルギー密度（HED）系において水素がプラズマ粘性に与える影響という長年の未解決問題を解明すること。
• このような複雑なプラズマ混合物における粘性係数の正確で定量的な計算を提供すること。
• D. リュトフの過去の理論的予測（水素に起因する粘性増大）を検証および拡張すること。
• 慣性核融合や関連応用分野で用いられるHEDプラズマの安定性および乱流のモデル化を支援すること。

提案手法

• 運動論的理論およびチャップマン＝エンスコーグ法を用いて、多成分プラズマにおける粘性係数を導出する。
• 水素（H⁺）および高Zイオン（例：Be, C, O, Ne, Siなど）からなる完全にイオン化されたプラズマを想定し、イオン化状態を変化させた状況を考慮する。
• 二体衝突に対してフォッカー＝プランク近似を用いて、電子およびイオンの衝突効果を組み込む。
• 分布関数の線形化されたボルツマン方程式を解き、せん断粘性テンソルを計算する。
• 衝突緩和率に、水素と高Zイオンの質量および電荷の違いを反映させる。
• プラズマ温度、密度、イオン種の組成に依存する有効粘性係数を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水素イオンの存在が、高Zイオンを含む多成分プラズマにおけるせん断粘性にどのように影響するか？
• RQ2 水素を含むプラズマにおける粘性は、単一成分プラズマと比較してどの程度増大するか？
• RQ3 粘性係数がプラズマ温度およびイオン種分布にどのように定量的に依存するか？
• RQ4 電子とイオンの衝突が、このような混合系における全体の粘性にどのように異なる寄与をするか？
• RQ5 リュトフ（1996年）の理論的予測（粘性増大）が、多成分フレームワークにおいて定量的に確認可能か？

主な発見

• 水素イオンの存在が、リュトフの過去の定性的な予測を裏付けるように、プラズマ粘性を顕著に増大させることを確認した。
• 水素質量分率が10％を超えると、粘性係数が著しく増大し、特に中程度の温度（1–10 keV）で顕著な増大が見られた。
• 水素の軽い質量が、高Zイオンとの衝突においてより強い運動量移動を引き起こし、有効粘性を増大させる。
• 導出された粘性係数は、温度に対して非単調な依存性を示し、典型的なHEDプラズマ組成では1–5 keVの範囲でピークを示す。
• 高Zプラズマでは、電子-イオン衝突による粘性寄与はイオン-イオン衝突に比べて小さいが、無視できない。
• モデルは、同様の条件下で水素ドーピングされた高Zプラズマの粘性が、純粋な高Zプラズマに比べて最大3–5倍に達することを予測している。