Strukturanalyse staubiger Plasmen mittels digitaler Holographie

Kroll, Mattias

Diese Dissertation befasst sich mit der Strukturanalyse finiter Staubwolken in einem Plasma bei niedrigen Neutralgasdrücken. Die Beobachtung der Partikel erfolgt hierbei mittels digitaler Holographie. Untersuchungen zur Leistungsfähigkeit des hierfür verwendeten optischen Aufbaus demonstrieren das hohe Orts- und Zeitauflösungsvermögen dieser Diagnostik. Während in früheren Untersuchungen der Einschluss finiter Staubwolken, zum Beispiel der Yukawa-Balls, typischerweise bei Neutralgasdrücken jenseits von $20\,\mathrm{Pascal}$ erfolgte, was eine starke Dämpfung des Partikelsystems aufgrund der Reibung mit dem Neutralgas zur Folge hatte, demonstriert diese Arbeit die Möglichkeit, finite Staubwolken bei deutlich niedrigeren Neutralgasdrücken von nur wenigen Pascal einzufangen, wodurch die Anregung dynamischer Prozesse zukünftig möglich ist. Die Geometrie der Falle ist dabei identisch zu früheren Untersuchungen zu Yukawa-Balls. Die Verwendung großer Hohlpartikel und die damit verbundene hohe Ladung auf der Partikeloberfläche führt zu einer stärkeren Kopplung zwischen den Partikeln, wodurch sich die Staubwolken trotz des geringen Neutralgasdruckes in einem kristallinen Zustand befinden. Die Strukturanalyse dieser Staubwolken weist jedoch Unterschiede zu den Yukawa-Balls auf. Neben einer Schalenstruktur, wie sie bereits von den Yukawa-Balls bekannt ist, ordnen sich die Partikel entlang vertikaler Ketten an, die zum Teil in vertikaler Richtung zueinander versetzt sind. Untersuchungen zur Partikelwechselwirkung durch die Lasermanipulation eines Systems bestehend aus zwei Partikeln bei identischen Entladungsbedingungen weisen einen Fokus der Ionen unterhalb der Partikel nach, welcher zu einer anziehenden Wechselwirkung zwischen den Partikeln in vertikaler Richtung führt. Aufgrund der Überschallströmung der Ionen ist diese anziehende Wechselwirkung allerdings nicht symmetrisch, wodurch sich das Wechselpotential zwischen den Partikeln nicht länger mit Hilfe eines isotropen Yukawa-Potentials beschreiben lässt. Die Struktur dieser Staubwolken bei niedrigen Neutralgasdrücken ist somit durch die Konkurrenz zwischen einer Schalenstruktur aufgrund des sphärischen Einfangpotentials und einer Anordnung der Partikel entlang vertikaler Ketten, verursacht durch einen Fokus der Ionen unterhalb der Partikel, bestimmt. Mit Hilfe einer rotierenden Scheibe werden dynamische Prozesse in der Staubwolke angeregt. Die Partikelbewegungen zeigen dabei die beiden miteinander konkurrierenden Einflüsse durch das externe Einfangpotential und den Ionenfokus. Der Einfluss des Ionenfokuses wird auch für zukünftige Untersuchungen zur Dynamik dieser Staubwolken von Bedeutung sein. Besonders die Auswirkungen auf das Spektrum der Eigenmoden wird hierbei von Interesse sein.

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Kroll, Mattias: Strukturanalyse staubiger Plasmen mittels digitaler Holographie.

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