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electrones desbocados

El término electrones fugitivos (ER) se utiliza para designar los electrones que experimentan una aceleración por caída libre hacia el reino de las partículas relativistas . Los...

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El término electrones fugitivos (ER) se utiliza para designar los electrones que experimentan una aceleración por caída libre hacia el reino de las partículas relativistas . Los ER pueden clasificarse como térmicos (de menor energía) o relativistas. Se considera que el estudio de los electrones fugitivos es fundamental para nuestra comprensión de la física atmosférica de alta energía . [ 1 ] También se observan en dispositivos de fusión tokamak , donde pueden dañar los reactores.

Iluminación

Los electrones fugitivos son el elemento central de la teoría de propagación de rayos basada en la ruptura por fugitivo . [ 2 ] Desde el trabajo de CTR Wilson en 1925, [ 3 ] se han realizado investigaciones para estudiar la posibilidad de que los electrones fugitivos, basados ​​en rayos cósmicos o de otra índole, inicien los procesos necesarios para generar rayos. [ 4 ]

Ocurrencia extraterrestre

Es posible que los rayos basados ​​en fugas de electrones se produzcan en los cuatro planetas gigantes, además de en la Tierra. Estudios de simulación predicen que los procesos de ruptura por fugas de electrones son mucho más probables en estos planetas gaseosos que en la Tierra, ya que el umbral para que comience la ruptura por fugas de electrones es mucho menor. [ 5 ]

Plasma de alta energía

El fenómeno de electrones fugados se ha observado en plasmas de alta energía . Estos pueden representar una amenaza para las máquinas y experimentos en los que existen dichos plasmas, incluido el ITER . Existen varios estudios que examinan las propiedades de los electrones fugados en estos entornos ( tokamak ), con el fin de suprimir mejor los efectos perjudiciales de estos electrones fugados no deseados. [ 6 ] Mediciones recientes revelan una difusión de iones de impurezas mayor de lo esperado en las mesetas de electrones fugados, posiblemente debido a la turbulencia. La elección entre inyecciones de gas de bajo y alto número atómico (Z) para técnicas de mitigación de disrupciones requiere una mejor comprensión del transporte de iones de impurezas, ya que estos iones pueden no mezclarse completamente en el momento del impacto, lo que afecta la prevención del daño a las paredes por electrones fugados en grandes conceptos de tokamak, como el ITER. [ 7 ]

Generación de electrones desbocados en tokamaks

La aceleración de los electrones a velocidades relativistas ocurre cuando la fuerza aceleradora de los campos eléctricos es mayor que la fuerza de frenado debida a las colisiones con otras partículas en el plasma. La fuerza de fricción que experimentan los electrones aumenta monótonamente con el momento hasta que el momento térmicopagel=2metromiTmi{\displaystyle p_{\text{th}}={\sqrt {2m_{e}T_{e}}}}se alcanza, después de lo cual disminuye a un valor muy pequeño pero finito comopag→∞{\displaystyle p\to \infty }Por lo tanto, con un campo eléctrico suficientemente fuerte , la fuerza aceleradora puede ser mayor que la fuerza de fricción máxima, lo que lleva a la aceleración indefinida de los electrones a velocidades relativistas.

Un electrón con velocidadv≫vel{\displaystyle v\gg v_{\text{th}}}huirá si

mimi∥>mi4nortemiln⁡Λ4πε02metromiv2,{\displaystyle eE_{\parallel }>{\frac {e^{4}n_{e}\ln \Lambda }{4\pi \varepsilon _{0}^{2}m_{e}v^{2}}},}

dóndemetromi{\displaystyle m_{e}}ynortemi{\displaystyle n_{e}}son la masa y la densidad numérica de electrones respectivamente,mi{\displaystyle e}la carga elemental yln⁡Λ{\displaystyle \ln \Lambda }el logaritmo de Coulomb . Dado que la velocidad del electrón está limitada por la velocidad de la luz.do{\displaystyle c}, el valor crítico del campo eléctrico, por debajo del cual ningún electrón escapará, según lo derivado por Connor y Hastie [ 8 ] es

mido=mi3nortemiln⁡Λ4πε02metromido2.{\displaystyle E_{c}={\frac {e^{3}n_{e}\ln \Lambda }{4\pi \varepsilon _{0}^{2}m_{e}c^{2}}}.}

Existen dos tipos diferentes de mecanismos de generación de electrones desbocados: la generación primaria o generación semilla , que no depende de la existencia de electrones desbocados, y la generación secundaria o multiplicación por avalancha, que amplifica la población de electrones desbocados existente.

Un ejemplo de generación primaria es el mecanismo de Dreicer , [ 9 ] [ 10 ] donde el proceso de difusión colisional se esfuerza por mantener la distribución de electrones en equilibrio térmico , llenando así cualquier "hueco" dejado por electrones fugados.

Sin embargo, la gran mayoría de los electrones fugados se generan mediante mecanismos secundarios . Las colisiones por impacto pueden multiplicar la población de electrones fugados iniciales generados por mecanismos primarios. [ 11 ] Además, dado que la energía de los electrones fugados es mucho mayor que la energía de ionización de los iones en el plasma, los electrones ligados también pueden contribuir al proceso de avalancha.

Simulaciones computacionales y numéricas

Este fenómeno altamente complejo ha resultado difícil de modelar con sistemas tradicionales, pero se ha modelado parcialmente con la supercomputadora más potente del mundo. [ 12 ] Además, se han simulado aspectos del escape de electrones utilizando el popular módulo de modelado de física de partículas Geant4 . [ 13 ]

Experimentos espaciales

  • TARANIS ( CNES )
  • ASIM (ESA)

Referencias

  1. ↑ Dwyer, Joseph R.; Smith, David M.; Cummer, Steven A. (1 de noviembre de 2012). "Física atmosférica de alta energía: destellos de rayos gamma terrestres y fenómenos relacionados" . Space Science Reviews . 173 ( 1–4 ): 133–196 . Bibcode : 2012SSRv..173..133D . doi : 10.1007/s11214-012-9894-0 . ISSN 0038-6308 . 
  2. ↑ Gurevich, AV; Milikh, GM; Roussel-Dupre, R. (1992-06-01). "Mecanismo de electrones desbocados de ruptura del aire y preacondicionamiento durante una tormenta eléctrica" . Physics Letters A. 165 ( 5): 463– 468. doi : 10.1016/0375-9601(92)90348-P . ISSN 0375-9601 . 
  3. ↑ Wilson, CTR (1925). "La aceleración de partículas β en campos eléctricos fuertes como los de las nubes de tormenta". Proc. Cambridge Philos. Soc . 22 (4): 534– 538. Bibcode : 1925PCPS...22..534W . doi : 10.1017/s0305004100003236 . S2CID 121202128 . 
  4. ↑ Gurevich, Av; Milikh, Gm; Roussel-Dupre, R. (1992). "Mecanismo de electrones fugaces de ruptura del aire y preacondicionamiento durante una tormenta eléctrica". Physics Letters . 165.5 ( 5– 6): 463. Bibcode : 1992PhLA..165..463G . doi : 10.1016/0375-9601(92)90348-p .
  5. ↑ Dwyer, J; Coleman, L; Lopez, R; Saleh, Z; Concha, D; Brown, M; Rassoul, H (2006). "Runaway Breakdown in the Jovian Atmospheres" . Geophysical Research Letters . 33 (22): L22813. Bibcode : 2006GeoRL..3322813D . doi : 10.1029/2006gl027633 .
  6. ↑ Reux, C.; Plyusnin, V.; Alper, B.; Alves, D.; Bazylev, B.; Belonohy, E.; Boboc, A.; Brezinsek, S.; Coffey, I.; Decker, J (2015-09-01). "Generación y mitigación de haces de electrones descontrolados durante disrupciones en JET-ILW" . Fusión nuclear . 55 (9) 093013. Bibcode : 2015NucFu..55i3013R . doi : 10.1088/0029-5515/55/9/093013 . hdl : 11858/00-001M-0000-0029-04D1-5 . ISSN 0029-5515 . S2CID 92988022 .  
  7. ↑ Hollmann, EM; Bortolon, A.; Effenberg, F.; Eidietis, N.; Shiraki, D.; Bykov, I.; Chapman, BE; Chen, J.; Haskey, S.; Herfindal, J.; Lvovskiy, A.; Marini, C.; McLean, A.; O'Gorman, T.; Pandya, MD; Paz-Soldan, C.; Popović, Ž. (2022-02-02). "Medición dinámica del transporte de iones de impurezas en mesetas de electrones fugados en DIII-D" . Fusión nuclear . 29 (2): 022503. Bibcode : 2022PhPl...29b2503H . doi : 10.1063/5.0080385 . S2CID 246504822 . 
  8. ↑ Connor, JW; Hastie, RJ (1975-06-01). "Limitaciones relativistas en electrones fugados" . Fusión nuclear . 15 (3): 415– 424. doi : 10.1088/0029-5515/15/3/007 . ISSN 0029-5515 . 
  9. ↑ Dreicer, H. (1959-07-15). "Electron and Ion Runaway in a Fully Ionized Gas. I" . Physical Review . 115 (2): 238– 249. doi : 10.1103/PhysRev.115.238 . ISSN 0031-899X . 
  10. ↑ Dreicer, H. (1960-01-15). "Electron and Ion Runaway in a Fully Ionized Gas. II" . Physical Review . 117 (2): 329– 342. doi : 10.1103/PhysRev.117.329 . ISSN 0031-899X . 
  11. ↑ Jayakumar, R.; Fleischmann, HH; Zweben, SJ (1992-07-01). Exponenciación de avalancha colisional de electrones fugados en plasmas electrificados (Informe). Oficina de Información Científica y Técnica (OSTI).
  12. ↑ Levko; Yatom; Vekselman; Glezier; Gurovich; Krasik (2012). "Simulaciones numéricas de la generación de electrones fugados en gases presurizados". Journal of Applied Physics . 111 (1): 013303–013303–9. arXiv : 1109.3537 . Bibcode : 2012JAP...111a3303L . doi : 10.1063/1.3675527 . S2CID 119256027 . 
  13. ↑ Skeltved, Alexander Broberg; Østgaard, Nikolai; Carlson, Brant; Gjesteland, Thomas; Celestin, Sebastien (2014). "Modelado de la avalancha de electrones desbocados relativistas y el mecanismo de retroalimentación con GEANT4" . Journal of Geophysical Research: Space Physics . 119 (11 ) : 9174– 9191. arXiv : 1605.07771 . Bibcode : 2014JGRA..119.9174S . doi : 10.1002/2014JA020504 . PMC 4497459. PMID 26167437 .