Brownsche Bewegung und Heizung einzelner Mikropartikel durch stochastische Ladungsfluktuationen in einer Plasmarandschicht

Schmidt, Christian

Diese Dissertation befasst sich mit der Untersuchung der brownschen Bewegung einzelner Mikropartikel in einem Plasma, sowie mit deren zusätzlicher Aufheizung durch stochastische Ladungsfluktuationen. Die Beobachtung der einzelnen Mikropartikel erfolgt mit Hilfe von Videomikroskopie. Die notwendige hohe zeitliche wie räumliche Auflösung der verwendeten Diagnostik kann hier durch den Einsatz einer Hochgeschwindigkeitskamera gewährleistet werden, wie die sehr gute Übereinstimmung der experimentellen Befunde mit der theoretischen Beschreibung für ein Partikel in einer harmonischen Potentialfalle zeigt. Durch die Identifizierung des ballistischen Verhaltens der Partikelbewegung bei hohen Bildraten kann die kinetische Temperatur präzise ermittelt werden. Eine detaillierte Studie der brownschen Bewegung zeigt, dass unter speziellen Bedingungen ein thermisches Gleichgewicht zwischen den beobachteten kinetischen Partikeltemperaturen und der Temperatur des umgebenden Neutralgases nachgewiesen werden kann. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung des Heizeffektes durch stochastische Ladungsfluktuationen. Neben der Aufladung der Partikel spielen die Entladungseigenschaften eine entscheidende Rolle. Basierend auf den gängigen Modellvorstellungen zeichnet sich dieser durch eine Abhängigkeit vom Partikelradius und vom Neutralgasdruck aus. Daher werden ausführliche Studien mittels Simulationen durchgeführt, um das Modell für die Heizung durch stochastische Ladungsfluktuationen zu verbessern. Sowohl die Abhängigkeit vom Partikelradius als auch vom Druck konnten erstmals experimentell mit einer guten Übereinstimmung zu den Modellvorstellungen nachgewiesen werden. Damit leistet die vorliegende Dissertation einen bedeutsamen Beitrag für das Verständnis der beobachteten brownschen Partikelbewegung und vor allem den experimentellen Nachweis für eine Heizung der Partikel durch stochastische Ladungsfluktuationen.

In this thesis, the Brownian motion of a single microscopic particle and its additional heating by stochastic charge fluctuations in a plasma environment is investigated. The particles are observed by a videomicroscopy setup. The necessary high temporal and spatial resolution for the diagnostic is here guaranteed by using a high speed camera. This is confirmed by the observed good agreement between the measurements and theoretical description of a particle in a harmonic trap. The identification of the ballistic regime for the particle motion and an accurate determination of the particle mass allows a precise measurement of the kinetic particle temperature. A detailed study of the Brownian motion shows under special conditions a thermal equilibrium between the observed particle temperature and the ambient neutral gas temperature. Another main focus of this thesis is the observation of the heating effect by stochastic charge fluctuations. Next to the charging of the particle the discharge conditions have a strong influence on the heating effect. Based on the actual theoretical models this heating effect shows a dependence on the particle size and on the neutral gas pressure. To improve the theoretical description of the model for stochastic charge fluctuations, detailed simulations are performed. For the first time, this effect could experimentally be observed with the characteristic radius and pressure dependence which is in good agreement to the theoretical predictions. Therefore, this thesis significantly contributes to the understanding of the Brownian motion of a particle together with an experimental verification of the existence of the heating effect by stochastic charge fluctuations.

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Schmidt, Christian: Brownsche Bewegung und Heizung einzelner Mikropartikel durch stochastische Ladungsfluktuationen in einer Plasmarandschicht. 2017.

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