从零开始学习螺旋波等离子体
维基百科的定义如下
在电磁学中,螺旋波是一种低频电磁波,在磁场存在的约束等离子体中可以存在。最初被观察到的螺旋波是大气哨声波,但它们也存在于固体导体或任何其他电磁等离子体中。波中的电场被霍尔效应所主导,几乎垂直于电流(而不是平行的,如果没有磁场),因此波的传播分量是螺旋形的,因此称为“螺旋波”。这个术语是由Aigrain创造的。
螺旋波有一种特殊的能力,可以在低温和高磁场条件下穿过纯金属。在普通导体中,大多数电磁波都不能做到这一点,因为由于自由电子的存在,金属的高导电性会起到屏蔽电磁场的作用。实际上,通常情况下电磁波会在金属上经历非常薄的皮深度:当试图进入金属时,电场或磁场会很快反射。 (因此是金属的光泽。)然而,皮深度取决于角频率的平方根的倒数。因此,低频电磁波可能能够克服皮深度问题,并遍布整个材料。
螺旋波的一个特性(仅使用霍尔效应项和电阻率项进行简单计算即可证明)是,在样品表面与磁场平行的位置,一个模式中包含的电流在完美导电的极限下“趋向于无穷大”;因此在这种表面区域的焦耳热损失趋向于一个非零极限。表面模式在与磁场平行的圆柱形样品中特别普遍,对于这种配置,方程的确切解法已经找到,并在随后的实验中发挥重要作用。
光滑模式和其超高电流密度的实用意义最初并未被认识到,但在几年之后,Boswell发现了螺旋波的优越等离子体产生能力,实现的电荷密度比以前的方法高出10倍,而不需要磁场。
从那时起,螺旋波在许多科学和工业应用中得到使用,无论何时需要高效的等离子体生成,例如在核聚变反应器和空间推进中(螺旋双层推进器和可变比冲磁约束等离子体火箭在其等离子体加热阶段中都利用了螺旋波)。螺旋波也用于等离子体刻蚀的程序中,用于制造计算机微电路。
螺旋放电是通过无线电频率加热诱导的螺旋波来激发等离子体。螺旋等离子源和感应耦合等离子体(ICP)之间的区别在于天线轴向存在一个磁场。这个磁场的存在创建了一个具有更高电离效率和更大电子密度的螺旋工作模式,而不是典型的ICP。目前,澳大利亚国立大学正在研究这项技术的应用。由商业开发的磁等离子发动机VASIMR也利用螺旋放电来产生其发动机中的等离子体。潜在地,基于螺旋双层推进器等离子体的火箭非常适合星际旅行。