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Staubige Plasmen I

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Staubige Plasmen I. Vortrag von Peter Drewelow Im Rahmen des Seminars zur Experimentalphysik WS06/07. Staubiges Plasma. Einleitung Aufladung von Staubpartikeln Messung von Staubpotentialen. Staubiges Plasma in der Industrie. 1. Einleitung. Störfaktor bei Miniaturisierung von Elektronik.

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Presentation Transcript
staubige plasmen i

Staubige Plasmen I

Vortrag von Peter Drewelow

Im Rahmen des Seminars zur Experimentalphysik WS06/07

staubiges plasma

Staubiges Plasma

Einleitung

Aufladung von Staubpartikeln

Messung von Staubpotentialen

staubiges plasma in der industrie
Staubiges Plasma in der Industrie

1. Einleitung

  • Störfaktor bei Miniaturisierung von Elektronik

Klocke Nanotechnik

staubiges plasma im weltall 1
Staubiges Plasma im Weltall 1
  • Protoplanetare Scheiben
staubiges plasma im weltall 2
Staubiges Plasma im Weltall 2
  • Biochemische Keimstätte erster organischer Verbindungen

Aigen Li and J. Mayo Greenberg

staubiges plasma im weltall 3
Staubiges Plasma im Weltall 3
  • Planetare Ringe

NASA, Voyager 2

staubiges plasma im labor
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)

Zusammensetzung

N. Cramer, S. Vladimirov

2 aufladung von staubpartikeln
2. Aufladung von Staubpartikeln
  • Annahme:

Quasineutralität

und Temperaturgleichgewicht Te=Ti

  • Plasmapotential Φ = 0
  • Staubpartikel in relativer Ruhe zum Plasma
  • Plasmawolke „groß“ (Randeffekte vernachlässigt)
ladungsstr me auf staubk rner
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
Potentiale um Staubteilchen
  • Punktladung (qL, rL) baut Potential in Umgebung auf:

mit

aus Poissongleichungfolgt

Debyepotential

debyepotential
Debyepotential

G. Fußmann

str me auf ein isoliertes staubkorn
Ströme auf ein isoliertes Staubkorn
  • Staub hat Ausdehnung und nimmt Ladung auf
  •  ne , ni weichen von Boltzmann-Verteilung ab
gest rte quasineutralit t
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
Bohm-Kriterium

zur Vereinfachung 1D, H+-Ionen:

cion≡ Ionen-Schallgeschwindigkeit

schicht und vorschichtbildung
Schicht- und Vorschichtbildung

vi≥ cIon

 vor Eintritt in die elektrostatische Plasmaschicht werden Ionen beschleunigt (z.B. durch schwaches E-Feld)

floatingpotential und angesammelte ladung
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 einfl sse
Weitere Einflüsse
  • JSe ~ δ Te Je , kann O(Jse) = O(Je) erreichen

 in Poissongl. berücksichtigen

TS < Te/i vernachlässigbar

  • JPh~ a2η F,

z.B. JPh≈ 8•10-14 e/s, für a = 1μm, Metall, Erdnähe

 vernachlässigbar

staub gut in form
Staub, gut in Form
  • unregelmäßige Form

 JFe↑

  • Zersplitterung

wenn qS↑ können

Teilstücke abplatzen

berlagerte potentiale
Überlagerte Potentiale
  • wenn d < λD kein isoliertes Potential
  • mittleres Plasmapotential Φm < 0
  • starker Einfluss auf Quasineutralität

 ne↓ φ, qS↓

3 messung der potentiale
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
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
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
Einschlusspotential

Resultat: Parabelförmiges Potential

U. Konopka, G. E. Morfill,L. Ratke

von trajektorien zum potential ii
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
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
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
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
aussortierte folien

Aussortierte Folien

Was dem Zeitlimit zum Opfer fiel...

einfluss der sekund remission
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)

nichtlinearit ten
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 stauk rnern
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