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Staubige Plasmen I Vortrag von Peter Drewelow Im Rahmen des Seminars zur Experimentalphysik WS06/07.

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Präsentation zum Thema: "Staubige Plasmen I Vortrag von Peter Drewelow Im Rahmen des Seminars zur Experimentalphysik WS06/07."—  Präsentation transkript:

1 Staubige Plasmen I Vortrag von Peter Drewelow Im Rahmen des Seminars zur Experimentalphysik WS06/07

2 Staubiges Plasma 1.Einleitung 2.Aufladung von Staubpartikeln 3.Messung von Staubpotentialen

3 Staubiges Plasma in der Industrie Störfaktor bei Miniaturisierung von Elektronik 1. Einleitung Klocke Nanotechnik

4 Protoplanetare Scheiben Staubiges Plasma im Weltall 1

5 Staubiges Plasma im Weltall 2 Biochemische Keimstätte erster organischer Verbindungen Aigen Li and J. Mayo Greenberg

6 Staubiges Plasma im Weltall 3 Planetare Ringe NASA, Voyager 2

7 Staubiges Plasma im Labor Problem bei Fusionsexperimenten Staubkristalle als Modellsystem für Phasenübergänge Prof. Dr. André Melzer

8 Zusammensetzung Was ist staubiges Plasma? -Elektronen (-e, n e, T e ) -Ionen (Z i e, n i, T i ) -Neutrale Atome (n n ) -makroskopische Staubteilchen, meist Silikate oder Graphite (q S, n S, Ausdehnung a = 100nm~1cm, mittlerer Abstand d) N. Cramer, S. Vladimirov

9 2. Aufladung von Staubpartikeln Annahme: Quasineutralität und Temperaturgleichgewicht T e =T i Plasmapotential Φ = 0 Staubpartikel in relativer Ruhe zum Plasma Plasmawolke groß (Randeffekte vernachlässigt)

10 Ladungsströme auf Staubkörner negativer Elektronenfluss J e (n e,T e ) positiver Ionenfluss J i (n i,T i ) Sekundärelektronenemission J Se (q Se, T e ) Emission thermischer Elektronen J Th (T S ) Photoeffekt J Ph (a) Feldemission J Fe (q S )

11 Potentiale um Staubteilchen Punktladung (q L, r L ) baut Potential in Umgebung auf: mit aus Poissongleichung folgt Debyepotential

12 G. Fußmann

13 Ströme auf ein isoliertes Staubkorn Staub hat Ausdehnung und nimmt Ladung auf n e, n i weichen von Boltzmann-Verteilung ab

14 da v e -Verteilung noch ungefähr Gaußförmig: mit Energie-Erhaltung und ohne Ionenerzeugung/-vernichtung n i v i = ñ i v i mit Quasineutralität außerhalb des Potentials ñ e = Z i ñ i Gestörte Quasineutralität

15 Bohm-Kriterium zur Vereinfachung 1D, H + -Ionen: c ion Ionen-Schallgeschwindigkeit

16 Schicht- und Vorschichtbildung v i c Ion vor Eintritt in die elektrostatische Plasmaschicht werden Ionen beschleunigt (z.B. durch schwaches E-Feld)

17 Floatingpotential und angesammelte Ladung J i – J e = 0 φ Fl GG-Potential auf dem Staubkorn q S ergibt sich aus Kugelkondensatoransatz: (gewonnen aus Poissongl. mit Bohmkriterium als Randbedingung)

18 Weitere Einflüsse J Se ~ δ T e J e, kann O(J se ) = O(J e ) erreichen in Poissongl. berücksichtigen T S < T e/i vernachlässigbar J Ph ~ a 2 η F, z.B. J Ph e/s, für a = 1μm, Metall, Erdnähe vernachlässigbar

19 unregelmäßige Form J Fe Zersplitterung wenn q S können Teilstücke abplatzen Staub, gut in Form

20 Überlagerte Potentiale wenn d < λ D kein isoliertes Potential mittleres Plasmapotential Φ m < 0 starker Einfluss auf Quasineutralität n e φ, q S

21 3. Messung der Potentiale Versuch von U. Konopka und G. E. Morfill (Max-Planck- Institut für extraterrestrische Physik, Garching), sowie L. Ratke (DLR Institut für Raumsimulation ) von 1999 Untersuchung von frontalen Stößen zweier Melamine- Formaldehyde Kugeln in der Randschicht eines rf-Plasmas Nanosphere Process & Technology Laboratory, Department of Chemical Engineering, Yonsei University

22 Versuchsaufbau Rf-Referenz-Zelle gefüllt mit Argon bei 2,7 Pa mit M-F Kugeln (a 4,5μm) Kamera nimmt 160 Bilder /s mit 512 x 512 Pixel U. Konopka, G. E. Morfill, L. Ratke

23 Von Trajektorien zum Potential I Einzelne Kugel oszilliert im Eindämmungspotential [Reibung an neutralem Gas] Messung von x S (t) W S (x S ) W S (x S ) = Φ S (x S ) q S Φ S (x S ) [Beschleunigung durch Potential]

24 Einschlusspotential Resultat: Parabelförmiges Potential U. Konopka, G. E. Morfill, L. Ratke

25 Von Trajektorien zum Potential II eine Kugel verharrt bei x S0, die andere stößt frontal Bewegungsgleichung in Relativkoordinaten: [Reibung][Parabel- näherung] [Teilchen-WW] analog ergibt sich: W I (x R ) = Φ I (x R ) q eff Φ I (x R )

26 Interaktionspotential Debyepotential: a)|q eff | = 13900e, λ = 0.34mm, T e = 2.0eV b)|q eff | = 16500e, λ = 0.40mm, T e = 2.2eV c)|q eff | = 17100e, λ = 0.78mm, T e = 2.8eV U. Konopka, G. E. Morfill, L. Ratke

27 Fazit Debyepotential beschreibt gut: χ 2 /DOF 3.3 (reines Coulombpotential : χ 2 /DOF > 250) keine attraktive WW beobachtet jedoch: -nur Aussage über kleinen Parameterbereich -Kugeln in Randschicht (u i >> u e, Z i n i n e ) Weitere Messungen nötig

28 Quellen 1.Dusty plasmas on a new wavelength, Neil Cramer, Sergey Vladimirov, University of Sydney 2.Dusty and Self-Gravitational Plasmas in Space, P. Bliokh V. Sinitsin V. Yaroshenko 3.Dynamical processes in complex plasmas,A. Piel and A. Melzer, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Christian- Albrechts-Universität Kiel 4.Einführung in die Plasmaphysik, G. Fußmann, HU-Berlin 5.Nonlinear Debye Shielding in a Dusty Plasma, D.H.E. Dubin, University of California at San Diego 6.A unified model of interstellar dust, Aigen Li and J. Mayo Greenberg 7.Skripte zur Vorlesung Plasmaphysik, J. Meichsner, Uni Greifswald 8.Measurement of the Interaction Potential of Microspheres in the Sheath of a rf Discharge,U. Konopka, G. E. Morfill,L. Ratke

29 Aussortierte Folien Was dem Zeitlimit zum Opfer fiel...

30 Einfluss der Sekundäremission φ > 0 und W A gering J se z. B. J se, für J netto (φ) = J i (φ) + J se (φ) – J e (φ) = 0 mehrere GG möglich (auch φ > 0 q s > 0)

31 Nichtlinearitäten ξ = 3q S /4πeZ i n i λ D 3 ξ Ladungen auf Staubkorn/ positive Ladungen in Debyekugel wenn ξ > 1, starke nicht-Linearität n x = ñ x exp[eZ x φ/k B T x ] ñ x (1- eZ x φ/k B T x +...) q* S q S[1- k(T i,T e,Z i ) ξ] geringere effektive Ladung auf Staubkorn

32 Messung der Ladung von Staukörnern Einschluss von Partikeln in harm. Potential Resonanzanregung mit Laser ω res = (q S /m S n i e/ε 0 ) 1/2 A. Piel and A. Melzer


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