Einfluss negativer Ionen auf Driftwellen in einem Ar/O2-Plasma geringer Dichte

Knist, Sascha

In dieser Arbeit wird der Effekt der Elektronenverarmung auf die Driftwelleninstabilität in einem Argon-Sauerstoff (Ar/O2)-Mischplasma geringer Dichte ($n_e = 4 · 10^{14}$\,m$^{−3}$) bei hohem Magnetfeld ($B = 0.5$\,T) untersucht. Die vom Druckgradienten der Elektronen angetriebenen Driftwellen sind sowohl in elektro-positiven Argon-Plasmen als auch in reaktiven, elektro-negativen Ar/O2-Mischplasmen zu finden. Der Einfluss negativer Sauerstoffionen auf Driftwellen wurde im Experiment Dustwheel, dessen Magnetfeldanordnung imWesentlichen ein 1m lange Solenoid ist, mittels Sondendiagnostik und Kreuzkorrelationsanalyse untersucht. Radiale und azimutale Untersuchungen wurden in der Mittelebene, die physikalisch der Mitte der Plasmasäule entspricht, durchgeführt. Alle untersuchten Plasmen zeigen ein radial normalverteiltes Dichteprofil und ein radial parabel-förmiges Potentialprofil, die zu einer radial unverscherten Rotation der Driftwelle führen. In dem elektro-positiven Plasma stimmt die aus den Gleichgewichtsprofilen ermittelte dopplerverschobene Driftwellenfrequenz mit der aus dem Fluktuationsspektrum erhaltenen Wellenfrequenz überein. Obwohl in der Plasmasäule ein axialer Dichtegradient existiert, findet sich über die gesamte Plasmasäule eine konstante Wellenfrequenz. Die Mittelebene ist also repräsentativ für die Berechnung der globalen Wellenfrequenz. Obwohl sich optimale Bedingungen zur Bildung negativer Sauerstoffionen bei niedrigen Elektronentemperaturen weit unterhalb von 1 eV finden, lässt sich auch in Hochfrequenz- Entladungen mit $T_e > 2$\,eV eine Elektronendichtereduktion von über 50% herbeiführen. Die Untersuchung der elektro-negativen Plasmen zeigt ein hohles radiales Dichteprofil der negativen Ionen. Die azimutale Konzentration negativer Ionen wurde mit einer Sondentechnik bestimmt, die auf der Variation der Sättigungsströme in elektro-positiven und elektro-negativen Plasmen basiert. Wie auch in theoretischen Modellen prognostiziert, sinkt in elektro-negativen Plasmen die Frequenz der Driftwelle bei der Zugabe von Sauerstoff um 25%. In Modellen ist der wesentliche Variationsparameter der modifizierte effektive Ionengyroradius $\rho_{s,mod}$, der eine Funktion von $\alpha$ ist und die Dynamik der Driftwelle direkt beeinflusst. Während sich im Argon-Plasma die dopplerverschobene Wellenfrequenz gut aus den radialen Gleichgewichten in der Mittelebene bestimmen lässt, gilt in Gegenwart negativer Ionen solch eine Beziehung nicht mehr. Die Variation der Driftwellenfrequenz kann in dem Experiment sowohl aus der veränderten Dynamik als auch aus den veränderten Gleichgewichten herrühren. Diese unterschiedlichen Befunde werden auf die axial inhomogene Verteilung der negativen Ionen zurückgeführt.

Drift waves are observed in electro-positive pure argon plasmas as well as in electro-negative argon-oxygen plasmas. In this thesis the effect of electron reduction by negative ions on the drift wave instability in low-density ($n_e 4 \times 10^{14}$\,m$^{−3}$) and strongly magnetized (B = 0.5T) argon-oxygen plasma is presented. The linear device Dustwheel is used to analyze the effect of negative oxygen ions on the drift wave instability by means of Langmuir probe measurements and cross-correlation analysis. The magnetic structure in Dustwheel is that of an 1m long solenoid. The observations show that the density profiles have a gaussian shape. The observed parable-shaped potential profiles cause the radial unsheared rotation of the plasma column. The equilibrium profiles are used to obtain the doppler-shifted drift wave frequency. This frequency is in good agreement with the wave frequency of the fluctuation spectrum. Although there is an axial density gradient, a global wave frequency is established for the entire plasma column length. It is shown that also in radio frequency discharges with $T_e$ > 2\,eV the electron reduction is larger than 50%, although the production of negative oxygen ions is less efficient for electron temperature above 1 eV. The analysis of electro-negative plasmas show, that the radial density profile of the negative ions is hollow. The method is based on a comparison of the characteristics measured by probes in electro-negative plasma with a reference characteristic scanned in an electro-positive counterpart, existing in similar conditions. For increasing oxygen admixture the wave frequency decreases by about 25%. In the theoretical model, this effect is essentially caused by changes of the ion gyro radius s that influences the dynamics of the drift waves. While for the pure argon case the drift wave frequency can be estimated from the equilibrium plasma parameters in the mid-plane, there is no such relationship for the argon plasma with oxygen admixture. This different finding is attributed to the inhomogeneous distribution of the negative ions in radial and axial direction.

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Knist, Sascha: Einfluss negativer Ionen auf Driftwellen in einem Ar/O2-Plasma geringer Dichte. 2012.

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