Ion Wakes in starken Magnetfeldern – Experimente und Simulationen

Jung, Hendrik ORCID

Im Fokus dieser Dissertation steht der Einfluss starker Magnetfelder auf den Ion Wake, die Veränderung der Dichte- und Potentialtopologie im Windschatten von Mikropartikeln in einer starken Ionenströmung. Die Mikropartikel werden in komplexen Laborplasmen meist in der Plasmarandschicht, in der eine starke Ionenströmung vorherrscht, eingeschlossen. Der Einfluss von Wakes ist hier allgegenwärtig und betrifft Anordnung, Aufladung und Wechselwirkung der Partikel. Ein typisches Phänomen des Wakes ist die als Ionenfokus bezeichnete Anhäufung positiver Raumladung, die Ursprung attraktiver Wechselwirkung negativ geladener Partikel und einer Ladungsreduktion von Partikeln im Wake ist. Zur Untersuchung des Wakes und seines Einflusses auf die Mikropartikel in Gegenwart starker Magnetfelder werden zwei komplementäre Ansätze gewählt: In Experimenten werden die durch den Wake beeinflusste Dynamik und Anordnung eines Partikelpaars räumlich aufgelöst untersucht. Simulationen bieten einen Zugang zu experimentell nicht zugänglichen Eigenschaften des Wakes und dienen der Interpretation der experimentellen Befunde. Erstmals werden selbstkonsistente Simulationen des magnetisierten Wakes präsentiert. Diese zeigen für starke magnetische Flussdichten ein neues, stark nichtlineares Phänomen, den dynamischen Ionenschatten, Bereiche starker Ionenverarmung im Wake. Die experimentell im Magnetfeld auftretenden Änderungen der Anordnung zweier Partikel machen die wirkenden, durch den Wake beeinflussten Kraftfelder erfassbar. Das Schattenphänomen tritt bei experimentell realisierbaren magnetischen Flussdichten in Einklang mit Simulationen noch nicht auf. Wenn auch in abgeschwächter Form, bleibt der Wake wie im unmagnetisierten Fall Ursprung attraktiver Kräfte auf die Partikel. Die vorliegende Dissertation untersucht den magnetisierten Ion Wake erstmals detailliert und gibt damit einen Einblick in die durch starke Magnetfelder beeinflusste Ionendynamik und deren Wirkung auf komplexe Plasmen.

This thesis focuses on the influence of strong magnetic fields on the ion wake, which is the modified density and potential distribution in the slipstream of microparticles exposed to a strong ion flow. In complex laboratory plasmas, microparticles are mostly enclosed in the plasma sheath, where a strong ion flow prevails. Hence, the influence of wakes is omnipresent here and affects the arrangement, charge and interaction of the particles. A typical phenomenon of wakes is the accumulation of positive space charge, the so-called ion focus, that is the origin of attractive interaction of negatively charged particles and a charge reduction of particles in the wake. Two complementary approaches are chosen to investigate the wake and its influence on the microparticles in the presence of strong magnetic fields: In experiments, the dynamics and arrangement of a pair of particles, which are influenced by the wake, are investigated spatially resolved. Simulations provide access to experimentally inaccessible properties of the wake and enable the interpretation of the experimental findings. For the first time, self-consistent simulations of magnetized wakes are presented. At strong magnetic inductions, they show a new, strongly nonlinear phenomenon, the dynamic ion shadow, areas of strong ion depletion in the wake. The analysis of changes in the arrangement of two particles occurring in the experiments with magnetic fields enables the investigation of the underlying force fields, which are influenced by the wake. The shadow phenomenon does not occur at experimentally feasible inductions, which is in accordance with simulations. As in the non-magnetized case but attenuated, the wake remains the origin of attractive particle interaction forces. This thesis investigates the magnetized ion wake in detail for the first time and thus provides an insight into the ion dynamics of a complex plasma with strong magnetic fields.

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Jung, Hendrik: Ion Wakes in starken Magnetfeldern – Experimente und Simulationen. 2019.

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