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

Einleitung Aufladung von Staubpartikeln Messung von Staubpotentialen Staubiges Plasma Einleitung Aufladung von Staubpartikeln Messung von Staubpotentialen

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

Staubiges Plasma im Weltall 1 Protoplanetare Scheiben

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

Staubiges Plasma im Weltall 3 Planetare Ringe NASA, Voyager 2

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

Zusammensetzung Was ist staubiges Plasma? Elektronen (-e, ne, Te) Ionen (Zie, ni, Ti) Neutrale Atome (nn) makroskopische Staubteilchen, meist Silikate oder Graphite (qS, nS, Ausdehnung a = 100nm~1cm, mittlerer Abstand d) N. Cramer, S. Vladimirov

2. Aufladung von Staubpartikeln Annahme: Quasineutralität und Temperaturgleichgewicht Te=Ti Plasmapotential Φ = 0 Staubpartikel in relativer Ruhe zum Plasma Plasmawolke „groß“ (Randeffekte vernachlässigt)

Ladungsströme auf Staubkörner negativer Elektronenfluss Je(ne,Te) positiver Ionenfluss Ji(ni,Ti) Sekundärelektronenemission JSe(qSe, Te ) Emission thermischer Elektronen JTh(TS) Photoeffekt JPh(a) Feldemission JFe(qS)

Potentiale um Staubteilchen Punktladung (qL, rL) baut Potential in Umgebung auf: mit aus Poissongleichung folgt Debyepotential

Debyepotential G. Fußmann

Ströme auf ein isoliertes Staubkorn Staub hat Ausdehnung und nimmt Ladung auf  ne , ni weichen von Boltzmann-Verteilung ab

Gestörte Quasineutralität da ve-Verteilung noch ungefähr Gaußförmig: mit Energie-Erhaltung und ohne Ionenerzeugung/-vernichtung nivi= ñi∞vi∞ mit Quasineutralität außerhalb des Potentials ñe∞ = Zi ñi∞

Bohm-Kriterium zur Vereinfachung 1D, H+-Ionen: cion ≡ Ionen-Schallgeschwindigkeit

Schicht- und Vorschichtbildung vi ≥ cIon  vor Eintritt in die elektrostatische Plasmaschicht werden Ionen beschleunigt (z.B. durch schwaches E-Feld)

Floatingpotential und angesammelte Ladung Ji – Je = 0   φFl ≡ GG-Potential auf dem Staubkorn (gewonnen aus Poissongl. mit Bohmkriterium als Randbedingung) qS ergibt sich aus Kugelkondensatoransatz:

Weitere Einflüsse JSe ~ δ Te Je , kann O(Jse) = O(Je) erreichen  in Poissongl. berücksichtigen TS < Te/i  vernachlässigbar JPh ~ a2 η F, z.B. JPh ≈ 8•10-14 e/s, für a = 1μm, Metall, Erdnähe  vernachlässigbar

Staub, gut in Form unregelmäßige Form  JFe ↑ Zersplitterung wenn qS ↑ können Teilstücke abplatzen

Überlagerte Potentiale wenn d < λD  kein isoliertes Potential mittleres Plasmapotential Φm < 0 starker Einfluss auf Quasineutralität  ne ↓  φ, qS ↓

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

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

Von Trajektorien zum Potential I Einzelne Kugel oszilliert im Eindämmungspotential [Reibung an neutralem Gas] [Beschleunigung durch Potential] Messung von xS(t)  WS(xS) WS(xS) = ΦS(xS) • qS  ΦS(xS)

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

Von Trajektorien zum Potential II eine Kugel verharrt bei xS0 , die andere stößt frontal Bewegungsgleichung in Relativkoordinaten: [Reibung] [Parabel- näherung] [Teilchen-WW] analog ergibt sich: WI(xR) = ΦI(xR) • qeff  ΦI(xR)

Interaktionspotential Debyepotential: |qeff| = 13900e, λ = 0.34mm, Te = 2.0eV |qeff| = 16500e, λ = 0.40mm, Te = 2.2eV |qeff| = 17100e, λ = 0.78mm, Te = 2.8eV U. Konopka, G. E. Morfill, L. Ratke

Fazit Debyepotential beschreibt gut: χ2/DOF ≈ 3.3 (reines Coulombpotential : χ2/DOF > 250) keine attraktive WW beobachtet jedoch: nur Aussage über kleinen Parameterbereich Kugeln in Randschicht (ui >> ue , Zini ≠ ne)  Weitere Messungen nötig

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

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

Einfluss der Sekundäremission φ < 0 , |qe| >> 0 und WA gering  ↑ Jse z. B. Jse ≈ , für Jnetto(φ) = Ji(φ) + Jse(φ) – Je(φ) = 0  mehrere GG möglich (auch φ > 0  qs > 0)

Nichtlinearitäten ξ = 3qS/4πeZini λD3 ξ ≡ Ladungen auf Staubkorn/ positive Ladungen in Debyekugel wenn ξ > 1, starke nicht-Linearität nx = ñx exp[eZx φ/kBTx] ≈ ñx(1- eZx φ/kBTx + ...)  q*S ≈ qS•[1- k(Ti,Te,Zi)• ξ]  geringere effektive Ladung auf Staubkorn

Messung der Ladung von Staukörnern Einschluss von Partikeln in harm. Potential Resonanzanregung mit Laser ωres = (qS/mS• nie/ε0)1/2 A. Piel and A. Melzer