Diagnostik mit Resonanzkegeln, Partikeleinschluss und staubakustische Wellen in magnetisierten komplexen Plasmen

Trottenberg, Thomas

In dieser Dissertation werden zwei Stoßrichtungen verfolgt, die eng miteinander verflochten sind, nämlich die Untersuchung staubakustischer Wellen (DAW) und ein Verständnis des Einschlusses von Staub in einem Laborplasma. Es wird der Versuch unternommen, durch Sondendiagnostik und mit Hilfe eines selbstkonsistenten Modells für das einschließende Plasma zu einer quantitativen Erklärung beider Phänomene zu gelangen. In dem Experiment wird Staub in einem anodischen Plasma gefangen. Aufgrund der hohen elektrischen Feldstärke und des niedrigen Gasdrucks driften die Ionen mit einer schwach überthermischen Geschwindigkeit. Lage und Größe der Staubwolke können durch ein effektives Fallenpotential, das durch die elektrische Feldkraft und die Ionenwindkraft in dem überthermischen Regime definiert wird, gut beschrieben werden. Staubakustische Wellen treten in dem untersuchten Regime spontan auf und breiten sich in Richtung der Ionenströmung aus. Durch Synchronisation der selbsterregten Wellen mit einem externen Signal werden Dispersionsrelationen experimentell bestimmt. Für die Auswertung der mit einer Kamera gemessenen Dichtefluktuationen wird die Singulärwertzerlegung (SVD) benutzt. Systematisch werden unter Zuhilfenahme der SVD-Methode lokale Wellenzahlen und Anwachsraten gemessen. Erstmals werden im überthermischen Regime gemessene DAW-Dispersionsrelationen mit einer ionenkinetischen Theorie verglichen. Es wird gefunden, dass ein Wellenmodell mit Bhatnagar-Gross-Krook-Ionenstößen eine gute Vorhersage der gemessenen mittleren Wellenzahlen ergibt, allerdings werden die Anwachsraten überschätzt. Weitergehende Untersuchungen machen eine nichtinvasive Diagnostik der Dichte der freien Elektronen im staubigen Plasma erforderlich. Eine Methode, die dies leistet, ist die Resonanzkegeldiagnostik, die Whistlerwellen bei Ausbreitung unter einem Winkel zum Magnetfeld benutzt. Es wird gezeigt, dass Resonanzkegel auch im staubigen Plasma angeregt werden können. Simultane Messungen mit der Resonanzkegelmethode und einer Langmuir-Sonde liefern übereinstimmende Ergebnisse für die Verarmung der Elektronen durch Staub. Der Mechanismus der Elektronenverarmung wird mit der zusätzlichen, inneren Verlustfläche des Staubs erklärt.

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Trottenberg, Thomas: Diagnostik mit Resonanzkegeln, Partikeleinschluss und staubakustische Wellen in magnetisierten komplexen Plasmen.

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