Confinement and Dynamics of Torus-Shaped Dust Clouds in Magnetized Anodic Plasmas

Reichstein, Torben

In this thesis, the structure and dynamics of torus-shaped dust clouds in a weakly magnetized anodic plasma are investigated. The dust is confined in the plasma due to a force equilibrium of the radial components of electric field force and ion drag. The clouds exhibit a void (a dust-free region) in their center and the particles rotate about the major axis of the torus. For a detailed study of the properties of these clouds two different approaches are used: On the one hand, the torus-shaped dust clouds are analyzed experimentally by means of video microscopy. On the other hand, molecular dynamics simulations of toroidal dust flows are performed. For the simulations, a hierarchic many-particle model that is based on probe measurements is used as the physical basis. Experiment and simulations complement one another for a comprehensive understanding of the flow. Regarding the formation of torus-shaped dust clouds, the azimuthal Hall component of the ion drag is identified as the driving mechanism for the dust rotation. Due to the geometry of the experiment, a threshold that is caused by gravity exists for the onset of torus rotation. Compared to a single particle, the collective electrostatic repulsion of the negatively charged dust particles lowers the threshold in large clouds. This threshold is lowered by the collective electrostatic repulsion of the negatively charged dust particles. In addition, gravity breaks the symmetry of the system, resulting in an inhomogeneous flow. The main focus of this thesis is on study of the inhomogeneous flow of torus-shaped dust clouds regarding three objectives: First, the question arises to what extent a hydrodynamic description of the toroidal dust flow can be given. Concerning this matter, it is found out that the inhomogeneous flow is partially laminar and incompressible. Furthermore, depending on friction, the symmetry breaking caused by gravity leads to a spontaneous formation of two different flow instabilities, a standing shock or a Kelvin-Helmholtz instability caused by a strongly sheared flow. Second, the influence of strong coupling on the flow is investigated. Since the interaction between particles is not considered in hydrodynamics, it is expected that new phenomena previously unknown to fluid flows develop. It is observed that due to strong coupling and frictional damping the laminar flow relaxes into a crystalline shell structure. In contrast, result in the crystallization of the laminar flow. In addition, the presence of flow instabilities induces melting of the crystalline flow. Third, the microscopic and macroscopic observations shall be combined to a consistent description in order to gain a better understanding of the influence of microscopic motion on the macroscopic flow behavior. The analysis of a structural phase transition inside the inhomogeneous flow reveals that the time and length scales for individual particle motion are much shorter than those describing the hydrodynamical behavior of the flow. Hence, it is concluded that the individual particle motion dominated by strong coupling only affects the local short time evolution of the flow. Thus, the global flow can be described in terms of hydrodynamic behavior.

In dieser Dissertation werden Struktur und Dynamik torusförmiger Staubwolken in schwach magnetisierten anodischen Plasmen untersucht. Der Staub ist im Plasma auf Grund eines Kraftgleichgewichts der radialen Komponenten von elektrischer Feldkraft und Ionenwindkraft eingeschlossen. Die Wolken weisen einen Void (einen staubfreien Raum) in ihrem Zentrum auf und die Partikel rotieren um die Hauptachse des Torus. Für eine detaillierte Untersuchung der Eigenschaften dieser Wolken werden zwei verschiedene Herangehensweisen verwendet: Auf der einen Seite werden die torusförmigen Staubwolken experimentell mittels Videomikroskopie untersucht. Auf der anderen Seite werden Molekulardynamik-Simulation von toroidalen Staubströmungen durchgeführt. Als Grundlage für die Simulationen dient ein auf Sondenmessungen basierendes hierarchisches Vielteilchenmodell. Experiment und Simulationen ergänzen sich dabei für ein umfassendes Verständnis der Strömung. Hinsichtlich der Entstehung torusförmiger Staubwolken wurde die azimutale Hallkomponente des Ionenwindes als Antrieb für die Staubrotation identifiziert. Bedingt durch die Experimentgeometrie existiert ein durch die Gravitation gegebener Schwellwert für das Einsetzen der Staubrotation. Im Vergleich zu einem einzelnen Partikel senkt die kollektive Abstoß ung der negativ geladenen Staubpartikel in großen Wolken den Schwellwert ab. Zusätzlich wird durch die Gravitation die Symmetrie des Systems gebrochen, was zu einer inhomogenen Strömung führt. Der Hauptfokus dieser Dissertation liegt auf der Erforschung der inhomogenen Strömung torusförmiger Staubwolken hinsichtlich dreier Zielsetzungen: Erstens stellt sich die Frage, inwieweit eine hydrodynamische Beschreibung der toroidalen Staubströmung gegeben werden kann. Diesbezüglich ist herausgefunden worden, dass die inhomogene Strömung teilweise laminar und inkompressibel ist. Darüber hinaus führt die von der Gravitation verursachte Symmetriebrechung abh\"angig von der Reibung zu einer spontanen Ausbildung zweier verschiedener Strömungsinstabilitäten, einem stehenden Schock oder einer Kelvin-Helmholtz-Instabilität, die durch eine stark verscherte Strömung entsteht. Zweitens wird der Einfluss starker Kopplung auf die Strömung untersucht. Da die Wechselwirkung von Partikeln untereinander in der Hydrodynamik nicht berücksichtigt wird, ist zu erwarten, dass neue, bislang für fluide Strömungen unbekannte Phänomene auftreten. Es ist beobachtet worden, dass durch starke Kopplung sowie Reibung die laminare Strömung in eine kristalline Schalenstruktur relaxiert. Im Gegensatz dazu verursacht die Anwesenheit von Strömungsinstabilitäten das Schmelzen der kristallinen Strömung. Drittens sollen die mikroskopischen und makroskopischen Beobachtungen zu einer einheitlichen Beschreibung vereint werden, um ein verbessertes Verständnis für den Einfluss von mikroskopischen Bewegungen auf das makroskopische Strömungsverhalten zu gewinnen. Die Analyse eines strukturellen Phasenübergang innerhalb der inhomogenen Strömung zeigt, dass die Zeit- und Längenskalen für die individuelle Partikelbewegung viel kürzer sind als die, die das hydrodynamische Verhalten der Strömung beschreiben. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die durch starke Kopplung dominierte individuelle Partikelbewegung nur die lokale, kurzzeitige Entwicklung der Strömung beeinflusst. Somit kann die globale Strömung durch ihr hydrodynamisches Verhalten beschrieben werden.

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Reichstein, Torben: Confinement and Dynamics of Torus-Shaped Dust Clouds in Magnetized Anodic Plasmas. 2014.

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