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Staubige Plasmen I
Vortrag von Peter Drewelow
Im Rahmen des Seminars zur Experimentalphysik WS06/07
Staubiges Plasma
1. Einleitung
2. Aufladung von Staubpartikeln
3. Messung von Staubpotentialen
Staubiges Plasma in der Industrie
• Störfaktor bei Miniaturisierung von Elektronik
1. Einleitung
Klocke Nanotechnik
• Protoplanetare Scheiben
Staubiges Plasma im Weltall 1
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
• da ve-Verteilung noch ungefähr Gaußförmig:
• mit Energie-Erhaltung
und ohne Ionenerzeugung/-vernichtung nivi= ñi∞vi∞
• mit Quasineutralität außerhalb des Potentials ñe∞ = Zi ñi∞
Gestörte Quasineutralität
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
•qS ergibt sich aus Kugelkondensatoransatz:
(gewonnen aus Poissongl. mit Bohmkriterium als Randbedingung)
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
• unregelmäßige Form
JFe ↑
• Zersplitterung
wenn qS ↑ können
Teilstücke abplatzen
Staub, gut in Form
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]
• Messung von xS(t) WS(xS)
• WS(xS) = ΦS(xS) • qS ΦS(xS)
[Beschleunigung durch Potential]
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:
a) |qeff| = 13900e, λ = 0.34mm, Te = 2.0eV
b) |qeff| = 16500e, λ = 0.40mm, Te = 2.2eV
c) |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
Quellen1. „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. Yaroshenko3. „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-Berlin5. „Nonlinear Debye Shielding in a Dusty Plasma“, D.H.E. Dubin,
University of California at San Diego6. „A unified model of interstellar dust“, Aigen Li and J. Mayo
Greenberg7. Skripte zur Vorlesung Plasmaphysik, J. Meichsner, Uni Greifswald8. „Measurement of the Interaction Potential of Microspheres in the
Sheath of a rf Discharge“,U. Konopka, G. E. Morfill,L. Ratke
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