Wechselwirkung geladener Projektile mit einem staubigen Plasma

Caliebe, David

In dieser Dissertation wird die Wechselwirkung zwischen geladenen schweren Projektilen und einem ausgedehnten staubigen Plasma unter Schwerelosigkeit untersucht. Ein mikrometergroßes Staubprojektil stellt für ein dreidimensionales staubiges Plasma eine bewegte punktförmige Störung dar. Bisher existieren nur wenige Untersuchungen zur Wechselwirkung solcher Störungen mit ausgedehnten staubigen Plasmen, weil die punktförmige Anregung, die in zwei Dimensionen mit einem Laserstrahl erfolgt, nicht auf drei Dimensionen übertragbar ist. Daher war zunächst die Entwicklung eines geeigneten Mechanismus zur Beschleunigung von Staubpartikeln notwendig. Dieser basiert auf einem mechanischen Zahnradantrieb, mit dem Mikropartikel auf Geschwindigkeiten von bis zu mehreren Metern pro Sekunde beschleunigt werden können. Aufgrund von Agglomeration einzelner Mikropartikel weisen diese Projektile eine Größenverteilung auf. Die vorliegende Arbeit macht sich die Untersuchung der Wechselwirkung von Agglomerat-Projektilen mit der im Plasma eingefangenen Staubwolke zur Aufgabe. Es kann beobachtet werden, dass diese Projektile in der Staubwolke einen staubfreien Bereich (Cavity) erzeugen, dessen räumliches Erscheinungsbild durch die Projektilgeschwindigkeit geprägt ist. Ein subsonisches Projektil verursacht eine nahezu sphärische Cavity, ein transsonisches dagegen eine tropfenförmige, die mit wachsender Geschwindigkeit schmaler und langgezogener und im Fall eines hypersonischen Projektils vernachlässigbar klein wird. Entgegen der intuitiven Erwartung stellt sich also heraus, dass der Cavity-Radius mit wachsender Geschwindigkeit abnimmt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Analyse der Cavity-Dynamik der Überschallprojektile. Durch eine Zweiteilung der Wechselwirkung zwischen Projektil und Staubwolke in einen initialen Kraftstoß, durch den sich die Cavity öffnet, und den sich anschließenden elastischen Response der Staubwolke kann die Cavity-Dynamik in einem einfachen analytischen Modell beschrieben werden: Der Impulsübertrag vom Projektil auf ein einzelnes Partikel der Staubwolke erfolgt als binärer Stoß, während sich der kollektive Response der Staubwolke als gedämpfte harmonische Oszillation des Cavity-Radius darstellen lässt. Um einen tiefer gehenden Einblick in die Wechselwirkung zwischen Projektil und Staubwolke zu erhalten, der mit der räumlichen und zeitlichen Auflösung der bisherigen Diagnostiken am Experiment nicht möglich ist, wurden detaillierte Vergleiche mit Molecular Dynamics Simulationen angestellt. Diese bestätigen das entwickelte Bild der Wechselwirkung zwischen Projektil und Staubwolke.

In this thesis the interaction between charged heavy projectiles and an extended dusty plasma under microgravity conditions is studied. In a three-dimensional dusty plasma a micron-sized dust projectile can be considered as a moving point-like disturbance of the dust cloud. Previous works referring to the interaction of such disturbances and an extended dusty plasma are rare since the punctual excitation technique by means of laser light that is feasible for two-dimensional dusty plasmas cannot be translated into three-dimensional systems. Thus the development of an appropriate mechanism for the acceleration of dust particles was necessary. This mechanism utilizes a cogwheel drive to accelerate microparticles to velocities of up to several meters per second. Due to agglomeration of individual microparticles the produced projectiles show a size distribution. The aim of this work is to examine the interaction between agglomerated projectiles and the dust cloud trapped in the plasma. It is observed that these projectiles generate a dust-free cavity around them, whose shape is strongly affected by the speed of the projectile. In case of a subsonic projectile the boundary of the cavity is nearly spherical. In contrast, a transsonic projectile causes a tear-drop shaped cavity, which becomes narrower and more elongated with increasing speed and in case of a hypersonic projectile the cavity size becomes negligible. Thus it turns out --contrary to intuitive expectations-- that the cavity radius decreases with increasing speed of the projectile. This thesis focuses on the analysis of the cavity dynamics of supersonic projectiles. The decomposition of the interaction between the projectile and the dust cloud allows to describe the cavity dynamics by means of a simple analytical model. It divides the initial impulse that opens the cavity from the subsequent elastic response of the dust cloud. The transferred momentum from the projectile to an individual particle of the dust cloud can be described as a binary collision, while the collective response of the dust cloud is represented as a damped harmonic oscillation of the cavity radius. To gain deeper insight into the interaction between the projectile and the dust cloud than the spatio and temporal resolution of the utilized diagnostics of the experiment allow, detailed comparisons with molecular dynamics simulations are taken into account. They confirm the developed picture of the interaction between projectile and dust cloud.

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Caliebe, David: Wechselwirkung geladener Projektile mit einem staubigen Plasma.

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