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