［Double Layers in Laboratory and Cosmic Plasmas実験室および宇宙プラズマの二重層］
Stephen Smith December 30, 2016Picture of the Day
The Helicon Double Layer Thruster (HDLT).
ヘリコン・二重層・スラスタ（HDLT）。
Credit: Australian National University Research School of Physical Sciences and Engineering.
クレジット：オーストラリア国立大学物理科学および工学研究科。
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Note: The Picture of the Day will be on hiatus during the holiday, so please enjoy this article from the archives. A Happy New Year to all.
注：「今日の写真」は休暇中は休みになるので、アーカイブからこの記事をお楽しみください。 すべてにハッピーニューイヤー。
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電気的ダブルレイヤー（二重層）は滝のようなもので、そこを通過する荷電粒子にエネルギーを与えます。
「実験と接触しない科学は、想像上の推測に完全に惑わされる可能性が高い組織であることを、再び学ばなければなりません。
—ハンネス・アルフベン
電荷が流れるとプラズマ内に二重層が形成されます。
二重層は、恒星の周りだけでなく、地球のプラズマ環境にも見られ、オーロラやパルサーからの電磁放射などの現象を作成します。
電球の高温フィラメントからの熱放出は、プラズマの先駆者であるアーヴィングラングミュアに、さまざまなガスを通過する荷電粒子の挙動で熟考させました。
彼は、そのようなイオン化されたガスに言及するとき、「プラズマ」という用語を作り出した最初の人でした。
ガス中の荷電領域は、環境から隔離される傾向があり、機械的理論に支配されない方法で行動するため、彼は、それらが細胞の有機血漿成分に似ていると考えたため、生物学に基づいた用語を使用しました。
国立大学キャンベラの物理科学および工学部の科学者は、実験室のプラズマシステムに二重層を発見し、それらはイオンを超音速に加速している事を見つけました。
二重層は自己生成され、そのため、この効果は効率的な宇宙船推力機構に組み込まれています。
前述のように、二重層はプラズマ内に形成される電荷分離領域です。
それは、反対に帯電した2つの平行した層で構成され、結果として、電圧降下と層全体の電界が発生し、それは、プラズマの電子と陽イオンを反対方向に加速します。
移動する電荷は電気を生成するため、電流が存在します。
十分に大きな電位降下と層分離がある場合、電子は相対論的な速度に加速して、シンクロトロン放射を生成します。
ノーベル賞受賞者のハンネス・アルフベンは、二重層について次のように説明しています、
「…その１つのプラズマによるプラズマの形成は―この言葉の物理的な意味で―環境から自身を保護します。
それは、その血漿の細胞壁に似ています—この言葉の生物学的意味で—環境からそれ自身を守ります。」
電気力は、10 ^ 20電子ボルト以上のエネルギーで荷電粒子を加速できます。
電気は電荷が流れるための回路を必要とするため、電流が磁場を形成し、そのフィールドは電流を制限する傾向があります。
前の「今日の写真」の記事で指摘したように、そのくびれたチャネルは、ベネットピンチ、またはzピンチとして知られています。
電流が挟まれたフィラメントは、長距離にわたってコヒーレントのままです。
粒子加速器を使用した室内実験により、観察結果が確認されました。
プラズマの挙動は、これらの回路の条件によって決まります。
変動は、大きな電位差を伴う二重層を形成する可能性があります。
二重層の電気力は、重力や機械的な力によるものよりもはるかに強いことがあります。
二重層は、プラズマを細胞とフィラメントに分離する、それは、温度や密度が異なる場合があります。
時には、二重層が回路内の電荷の流れを妨げる可能性があり、壊滅的な電圧上昇を引き起こします。
爆発する二重層の強力なエネルギー放出は、送電スイッチヤードで時々観察される、サーキットブレーカーが誤って開かれたときです。
ハンネス・アルフベンはまさにそのような出来事を特定しました、彼が発生したいくつかの重大な事故を調査するためにスウェーデン電力会社と契約したとき。
送電回路に使用されている水銀アーク整流器のいくつかは、明白な理由もなく爆発しました。
アルフベンは、プラズマ流内の不安定な二重層として原因を特定しました。
彼は、書きました：
「スウェーデンでは、水力発電所は北部にあり、産業は南部にあります。
約1000 kmの距離にわたるこれらの地域間の電力の移動は、最初は、A.C.（交流）でした。
D.C.（直流）の伝送がより安くなることがわかったとき、水銀整流器が開発されました。
そのようなシステムは通常うまく機能することが判明しましたが、しかし、整流器が巨大な過電圧を生成することが時々起こりました、結果、太い電気火花が整流ステーションを満たし、かなりの害を及ぼすように…
「アーク整流器には非常に低い圧力の水銀蒸気が必要です、交流の半分のサイクルの間の高い逆電圧に耐えるために。
一方、他の半サイクル中に大電流を流すことができなければなりません。
これら2つの要件は矛盾していることがわかりました、非常に低い圧力では、プラズマが十分な電流を流すことができなかったためです。
電流密度が高すぎる場合、爆発する二重層が形成される場合があります。
これは、プラズマ内で高真空の領域が生成されることを意味します：
プラズマは如何なる電流を運ぶ事も全く拒否します。
1000 kmのインダクタンス（導電）が突然中断すると、巨大な過電圧が発生し、破壊的となる可能性があります。」
また、宇宙には周波数の広い帯域にわたって電波を放射する二重層があります。
彼らは銀河の物質を同様の組成の領域に分類し、凝（濃）縮することができます。
それらは荷電粒子を宇宙線エネルギーに加速することができます。
空間内の二重層は、アルフベンの整流器と同じ理由で爆発する可能性があり、局所的に存在するよりも多くのエネルギーを放出する。
この現象は、恒星フレアまたはいわゆる「新星」爆発で見られます。
プラズマは荷電粒子で構成されているため、それらの動きは電流を構成し、それは、磁場を生成します。
結果として生じる磁場内で電子がらせん状になり、すべての高エネルギー周波数で輝くシンクロトロン放射を作成します、極端な紫外線、X線、ガンマ線を含めて。
アルフベンや、その他によると、銀河回路の渦巻き状の腕に沿って電力が流れ、そこでは、銀河バルジ内の中央プラズモイドに集中して保存されます。
電流密度が臨界しきい値に達すると、プラズモイドは銀河のスピン軸に沿ってプラズマのエネルギージェットとして放電します。
この現象は、プラズマフォーカスデバイスを使用して実験室で再現されています。
宇宙プラズマとその活動は、実験室で複製でき、宇宙を形成する大規模な構造への洞察を可能にします。
重力は実験室では調べることができないため、天体の重力のみのモデルに関するコンセンサス意見は、瀕死状態に苦しんでいます。
うまくいけば、新鮮な視点は、今日のアプローチを支配している暗い条件を凌駕します。
スティーブン・スミス
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Dec 30, 2016
Electric double layers are like waterfalls that energize charged particles falling through them.
電気的ダブルレイヤー（二重層）は滝のようなもので、そこを通過する荷電粒子にエネルギーを与えます。
“We have to learn again that science without contact with experiments is an enterprise which is likely to go completely astray into imaginary conjecture.”
— Hannes Alfvén
「実験と接触しない科学は、想像上の推測に完全に惑わされる可能性が高い組織であることを、再び学ばなければなりません。
—ハンネス・アルフベン
A double layer forms in plasma when electric charge flows through it.
電荷が流れるとプラズマ内に二重層が形成されます。
Double layers are found in the plasma environment of Earth, as well as around the stars, creating phenomena like aurorae and electromagnetic radiation from pulsars.
二重層は、恒星の周りだけでなく、地球のプラズマ環境にも見られ、オーロラやパルサーからの電磁放射などの現象を作成します。
Thermal emissions from hot filaments in lightbulbs led plasma pioneer Irving Langmuir to contemplate the behavior of charged particles moving through various gases.
電球の高温フィラメントからの熱放出は、プラズマの先駆者であるアーヴィングラングミュアに、さまざまなガスを通過する荷電粒子の挙動で熟考させました。
He was the first to coin the term “plasma” when referring to such ionized gas.
彼は、そのようなイオン化されたガスに言及するとき、「プラズマ」という用語を作り出した最初の人でした。
Since charged regions in gas tend to isolate themselves from the environment, as well as act in ways not governed by mechanical theories, he thought they appeared similar to the organic plasma component of cells, so he used biology-based terminology.
ガス中の荷電領域は、環境から隔離される傾向があり、機械的理論に支配されない方法で行動するため、彼は、それらが細胞の有機血漿成分に似ていると考えたため、生物学に基づいた用語を使用しました。
Scientists from the National University Research School of Physical Sciences and Engineering in Canberra discovered double layers in their laboratory plasma systems, finding that they were accelerating ions to supersonic velocities.
国立大学キャンベラの物理科学および工学部の科学者は、実験室のプラズマシステムに二重層を発見し、それらはイオンを超音速に加速している事を見つけました。
The double layers are self-generating, so the effect has been incorporated into an efficient spacecraft thrust mechanism.
二重層は自己生成され、そのため、この効果は効率的な宇宙船推力機構に組み込まれています。
As mentioned, a double layer is an electric charge separation region that forms in a plasma.
前述のように、二重層はプラズマ内に形成される電荷分離領域です。
It consists of two oppositely charged parallel layers, resulting in a voltage drop and electric field across the layer, which accelerates the plasma’s electrons and positive ions in opposite directions.
それは、反対に帯電した2つの平行した層で構成され、結果として、電圧降下と層全体の電界が発生し、それは、プラズマの電子と陽イオンを反対方向に加速します。
Since moving electric charges generate electricity, there is an electric current present.
移動する電荷は電気を生成するため、電流が存在します。
If there are sufficiently large potential drops and layer separation, electrons might accelerate to relativistic velocities, producing synchrotron radiation.
十分に大きな電位降下と層分離がある場合、電子は相対論的な速度に加速して、シンクロトロン放射を生成します。
Nobel prize winner Hannes Alfvén described a double layer as,
ノーベル賞受賞者のハンネス・アルフベンは、二重層について次のように説明しています、
“… a plasma formation by which a plasma—in the physical meaning of this word—protects itself from the environment.
「…その１つのプラズマによるプラズマの形成は―この言葉の物理的な意味で―環境から自身を保護します。
It is analogous to a cell wall by which a plasma—in the biological meaning of this word—protects itself from the environment.”
それは、その血漿の細胞壁に似ています—この言葉の生物学的意味で—環境からそれ自身を守ります。」
Electric forces can accelerate charged particles with energies of 10^20 electron volts or more.
電気力は、10 ^ 20電子ボルト以上のエネルギーで荷電粒子を加速できます。
Since electricity requires a circuit for charge to flow, and an electric current forms a magnetic field, that field tends to constrict the current.
電気は電荷が流れるための回路を必要とするため、電流が磁場を形成し、そのフィールドは電流を制限する傾向があります。
As pointed out in previous Picture of the Day articles, that constricted channel is known as a Bennett pinch, or z-pinch.
前の「今日の写真」の記事で指摘したように、そのくびれたチャネルは、ベネットピンチ、またはzピンチとして知られています。
The pinched filaments of electric current remain coherent over large distances.
電流が挟まれたフィラメントは、長距離にわたってコヒーレントのままです。
Laboratory experiments with particle accelerators confirm the observation.
粒子加速器を使用した室内実験により、観察結果が確認されました。
Plasma’s behavior is driven by conditions in those circuits.
プラズマの挙動は、これらの回路の条件によって決まります。
Fluctuations can form double layers with large potential voltages between them.
変動は、大きな電位差を伴う二重層を形成する可能性があります。
The electric forces in double layers can be much stronger than those from gravitational and mechanical forces.
二重層の電気力は、重力や機械的な力によるものよりもはるかに強いことがあります。
Double layers separate plasma into cells and filaments that can have different temperatures or densities.
二重層は、プラズマを細胞とフィラメントに分離する、それは、温度や密度が異なる場合があります。
At times, a double layer might interrupt charge flow in the circuit, causing a catastrophic rise in voltage across it.
時には、二重層が回路内の電荷の流れを妨げる可能性があり、壊滅的な電圧上昇を引き起こします。
The powerful energy release of the exploding double layer is sometimes observed in power transmission switchyards when a circuit breaker is opened incorrectly.
爆発する二重層の強力なエネルギー放出は、送電スイッチヤードで時々観察される、サーキットブレーカーが誤って開かれたときです。
Hannes Alfvén identified just such an occurrence when he was contracted by the Swedish Power Company to investigate some serious accidents that had occurred.
ハンネス・アルフベンはまさにそのような出来事を特定しました、彼が発生したいくつかの重大な事故を調査するためにスウェーデン電力会社と契約したとき。
A few of the mercury arc rectifiers used in the power transmission circuits had exploded for no apparent reason.
送電回路に使用されている水銀アーク整流器のいくつかは、明白な理由もなく爆発しました。
Alfvén identified the cause as unstable double layers within the plasma flow.
アルフベンは、プラズマ流内の不安定な二重層として原因を特定しました。
He wrote:
“In Sweden the waterpower is located in the north, and the industry in the south.
彼は、書きました：
「スウェーデンでは、水力発電所は北部にあり、産業は南部にあります。
The transfer of power between these regions over a distance of about 1000 km was first done with a.c.
約1000 kmの距離にわたるこれらの地域間の電力の移動は、最初は、A.C.（交流）でした。
When it was realized that D.C. transmission would be cheaper, mercury rectifiers were developed.
D.C.（直流）の伝送がより安くなることがわかったとき、水銀整流器が開発されました。
It turned out that such a system normally worked well, but it happened now and then that the rectifiers produced enormous over-voltages so that fat electrical sparks filled the rectifying station and did considerable harm…
そのようなシステムは通常うまく機能することが判明しましたが、しかし、整流器が巨大な過電圧を生成することが時々起こりました、結果、太い電気火花が整流ステーションを満たし、かなりの害を及ぼすように…
“An arc rectifier must have a very low pressure of mercury vapor in order to stand the high back voltages during half of the a.c. cycle.
「アーク整流器には非常に低い圧力の水銀蒸気が必要です、A.C.（交流）の半分のサイクルの間の高い逆電圧に耐えるために。
On the other hand, it must be able to carry large currents during the other half-cycle.
一方、他の半サイクル中に大電流を流すことができなければなりません。
It turned out that these two requirements were conflicting, because at a very low pressure the plasma could not carry enough current.
これら2つの要件は矛盾していることがわかりました、非常に低い圧力では、プラズマが十分な電流を流すことができなかったためです。
If the current density is too high, an exploding double layer may be formed.
電流密度が高すぎる場合、爆発する二重層が形成される場合があります。
This means that in the plasma a region of high vacuum is produced:
これは、プラズマ内で高真空の領域が生成されることを意味します：
the plasma refuses to carry any current at all.
プラズマは如何なる電流を運ぶ事も全く拒否します。
At the sudden interruption of the 1000 km inductance produces enormous over-voltages, which may be destructive.”
1000 kmのインダクタンス（導電）が突然中断すると、巨大な過電圧が発生し、破壊的となる可能性があります。」
There are also double layers in space that emit radio waves over a broad band of frequencies.
また、宇宙には周波数の広い帯域にわたって電波を放射する二重層があります。
They can sort galactic material into regions of like composition and condense it.
彼らは銀河の物質を同様の組成の領域に分類し、凝（濃）縮することができます。
They can accelerate charged particles to cosmic ray energies.
それらは荷電粒子を宇宙線エネルギーに加速することができます。
Double layers in space can explode for the same reason as Alfvén’s rectifiers, releasing more energy than is locally present.
空間内の二重層は、アルフベンの整流器と同じ理由で爆発する可能性があり、局所的に存在するよりも多くのエネルギーを放出する。
This effect can be seen in stellar flares or so-called “nova” outbursts.
この現象は、恒星フレアまたはいわゆる「新星」爆発で見られます。
Since plasma is composed of charged particles, their movement constitutes an electric current, which generates a magnetic field.
プラズマは荷電粒子で構成されているため、それらの動きは電流を構成し、それは、磁場を生成します。
Electrons spiral in the resulting magnetic field, creating synchrotron radiation that can shine in all high-energy frequencies, including extreme ultraviolet, X-rays, and gamma rays.
結果として生じる磁場内で電子がらせん状になり、すべての高エネルギー周波数で輝くシンクロトロン放射を作成します、極端な紫外線、X線、ガンマ線を含めて。
According to Alfvén and others, electric power flows along the spiral arms of a galactic circuit where it is concentrated and stored in a central plasmoid within the galactic bulge.
アルフベンや、その他によると、銀河回路の渦巻き状の腕に沿って電力が流れ、そこでは、銀河バルジ内の中央プラズモイドに集中して保存されます。
When the current density reaches a critical threshold, the plasmoid discharges along the galaxy’s spin axis as an energetic jet of plasma.
電流密度が臨界しきい値に達すると、プラズモイドは銀河のスピン軸に沿ってプラズマのエネルギージェットとして放電します。
That phenomenon has been replicated in the laboratory with a plasma focus device.
この現象は、プラズマフォーカスデバイスを使用して実験室で再現されています。
Cosmic plasmas and their activity can be replicated in the laboratory, allowing insights into the large-scale structures that populate the Universe.
宇宙プラズマとその活動は、実験室で複製でき、宇宙を形成する大規模な構造への洞察を可能にします。
Since gravitational forces cannot be examined in the laboratory, consensus opinions about the gravity-only model of celestial objects suffer from a moribund condition.
重力は実験室では調べることができないため、天体の重力のみのモデルに関するコンセンサス意見は、瀕死状態に苦しんでいます。
Hopefully, a fresh perspective will outshine the dark conditions that dominate today’s approach.
うまくいけば、新鮮な視点は、今日のアプローチを支配している暗い条件を凌駕します。
Stephen Smith
スティーブン・スミス
