Inhomogene Staubströmungen in toroidalen Plasmafallen :Makro- und Mikrophysik

Wilms, Jochen

Im Fokus dieser Dissertation stehen die Eigenschaften und das Verhalten einer inhomogenen, stark gekoppelten Strömung von Mikrometer großen Partikeln („Staub“) in einem schwach magnetisierten anodischen Plasma. Die Entladung bildet ein aufrecht stehendes, torusförmiges Einschlusspotential für die elektrisch negativ geladenen Partikel aus, die sich - von der Ionenwindkraft beschleunigt - entlang dieses Einschlusses durch das Hintergrundgas bewegen. Aufgrund der Erdgravitation etabliert sich ein inhomogenes, stationäres Strömungsfeld, in dem die Partikel auf der einen Seite des Torus langsam aufsteigen und auf der anderen Seite schnell hinunterströmen. Zur Untersuchung dieses „Staubtorus“ werden zwei komplementäre Ansätze gewählt: zum einen Laborexperimente, zum anderen detaillierte Langevin-Dynamik-Simulationen (LD). Letztere erlauben den Zugang zu Daten und Größen, die deutlich über die experimentellen Möglichkeiten hinausgehen. Die durchgeführten Untersuchungen decken vier Stoßrichtungen ab. Den ersten Schwerpunkt stellt die experimentelle Untersuchung der inhomogenen Staubströmung dar. Der zweite Schwerpunkt besteht in einer hydrodynamischen Beschreibung der Staubströmung. Den dritten Schwerpunkt bildet die Analyse der Mikrophysik der Strömung. In dem vierten Schwerpunkt wird anhand einer numerischen Untersuchung die Übertragbarkeit aller zuvor dargelegten Ergebnisse auf ganze Strömungsklassen verdeutlicht. Insgesamt gibt die vorliegende Dissertation erstmals Einblick in die Mikrophysik inhomogener, kristalliner Strömungen staubiger Plasmen und ermöglicht damit ein besseres Verständnis der Verknüpfung der Mikro- und Makrodynamik von Strömungen stark korrelierter Partikelsysteme.

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Wilms, Jochen: Inhomogene Staubströmungen in toroidalen Plasmafallen :Makro- und Mikrophysik. 2017.

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