Understanding Dusty Plasmas in Various Environments

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

2. Staubiges Plasma Einleitung Aufladung von Staubpartikeln Messung von Staubpotentialen

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

4. Staubiges Plasma im Weltall 1 • Protoplanetare Scheiben

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. 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

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

10. 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)

11. Potentiale um Staubteilchen • Punktladung (qL, rL) baut Potential in Umgebung auf: mit aus Poissongleichungfolgt Debyepotential

12. Debyepotential G. Fußmann

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

14. 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∞

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

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

17. 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:

18. 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

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

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

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] [Beschleunigung durch Potential] • Messung von xS(t)  WS(xS) • WS(xS) = ΦS(xS) • qS ΦS(xS)

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

25. 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)

26. 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

27. 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

28. 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

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

30. 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)

31. 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

32. 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