Staub - Plasma Wechselwirkung in einer Doppelplasma-Anlage

Goertz, Imke

In dieser Arbeit wird der Effekt der Ladungsträgerreduktion in dichten Staubwolken in einer Doppelplasma (DP)-Anlage untersucht. Die Aufladung eines isolierten Staubpartikels in einem stoßfreien Plasma wird durch das orbital motion limited (OML) Modell beschrieben. In Laborplasmen laden sich Staubpartikel negativ auf und reduzieren damit die freie Elektronendichte in der Umgebung. Zunächst muss die gesamte Apparatur, einschließlich des neu entwickelten Systems zum Staubeintrag, mit einem stabilen Verfahren getestet werden, hier eignet sich die Diagnostik mittels ionenakustischer Wellen. Nach der erfolgreichen Überprüfung, die ionenakustische Geschwindigkeit nimmt in Anwesenheit von Staub zu, wird er eigentlichen Frage nach dem Einfluss der Staubdichte auf die Staubladung bzw. dem Verhalten der Potentiale nachgegangen. Es werden zwei bekannte Modelle, die das Verhalten der Potentiale in Abhängigkeit vom Parameter P~nd/ne beschreiben, vorgestellt. Das erste Modell geht von Boltzmann-verteilten Ionen aus, während das zweite eine konstante Ionendichte innerhalb und außerhalb der Staubwolke annimmt. Beide Modelle werden um eine zweite, kinetische Elektronenpopulation, die charakteristisch für DP-Maschinen ist, erweitert. Sowohl innerhalb als auch außerhalb der Staubwolke im staubfreien, umgebenden Plasma werden sorgfältige Messprozeduren für die Langmuir-Sonden- und Potentialmessungen vorgestellt. Die Resultate stimmen mit den Ergebnissen vorheriger Messungen, die auch die durch Elektronenverarmung verursachten Effekte untersuchten, generell überein. Im Vergleich zu anderen bisher veröffentlichten Arbeiten, werden die hier durchgeführten Experimente in einem viel größeren Bereich des Staubdichteparameters P durchgeführt, ebenso werden durch die vergleichenden Messungen innerhalb und außerhalb der Staubwolke neue Erkenntnisse gewonnen. Die Elektronendichten werden in beiden Bereichen, der staubfreien und staubgefüllten Region, durch die Anwesenheit von Staub beeinflusst, erwartungsgemäß im staubigen Bereich viel stärker. Selbst im staubfreien Bereich ist eine messbare Änderung im Plasmapotential bei Staubfall zu beobachten. Die Berücksichtigung dieser Potentialänderung wird hier zum ersten Mal qualitativ und quantitativ bei der Auswertung der Ergebnisse durchgeführt. Die in der DP-Maschine gemessenen Potentiale als Funktion von P werden durch eine Erweiterung um eine weitere kinetische Elektronenkomponente des Modells, das Boltzmann-verteilte Ionen annimmt, gut im Bereich von P<1 vorhergesagt, unter Berücksichtigung der Plasmabedingungen im Labor (Argon, Te=2eV, Te/Ti~10). Für P>1 zeigen weder das konstante Ionenmodell noch ein erweitertes Modell eine Reproduzierbarkeit des Experiments. Die experimentelle Beobachtung, dass die Ionendichten innerhalb und außerhalb der Staubwolke annähernd gleich sind, legt die Vermutung nahe, dass eine zusätzliche Erweiterung des konstanten Ionenmodells seine Berechtigung finden kann.

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Goertz, Imke: Staub - Plasma Wechselwirkung in einer Doppelplasma-Anlage.

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