@phdthesis{Andrasch2015,
  author    = {Mathias Andrasch},
  title     = {Untersuchungen der Plasmamikrowellenwechselwirkung einer spezifischen Plasmaquelle zur Optimierung deren Einsetzbarkeit},
  journal    = {Investigation and optimization of the plasma microwave interaction of a specific plasma source},
  url       = {https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-002254-0},
  year      = {2015},
  abstract  = {Die Forschung an mikrowelleninduzierten Atmosph{\"a}rendruckplasmen am INP f{\"u}hrte zu verschiedenen potentiellen Applikationen. Dabei besitzt die mikrobiologische Dekontamination sowohl von thermolabilen Medizinprodukten als auch von Lebensmitteln schon zum jetzigen Zeitpunkt ein hohes industrielles Anwendungspotential. Den aufgef{\"u}hrten Anwendungen gemeinsam ist, dass f{\"u}r eine erfolgreiche Weiterentwicklung der Prozesse, sowie der Plasmaquelle, ein grundlegendes Verst{\"a}ndnis der vorliegenden dynamischen Mikrowellenplasmawechselwirkung notwendig ist. Durch den begrenzten diagnostischen Zugang der zu untersuchenden Plasmaquelle wird ein kombinierter Ansatz aus diagnostischen Methoden und Modellierung gew{\"a}hlt. Die Entladung wird in Argon bei reduziertem Druck (ab 10 mbar) zur Vereinfachung des Modells betrieben. Daher musste die Plasmaquelle f{\"u}r diesen Einsatz weiterentwickelt werden. Dieses beinhaltet die Neuauslegung der Prozessw{\"a}rmeabfuhr, auf Grund der nicht oder nur teilweisen Anwendbarkeit von etablierten Verfahren im Atmosph{\"a}rendruck (hohe Gasfl{\"u}sse, Wasserk{\"u}hlung). Die Plasmamikrowellenwechselwirkung dieser Quelle ist anschlie{\"s}end mit Methoden zur Charakterisierung des Plasmas und des Mikrowellenfeldes f{\"u}r unterschiedliche Arbeitspunkte in Druck und Leistung untersucht worden. Zur Bestimmung der Elektronendichte des Plasmas wurde ein frequenzvariables Mikrowelleninterferometer auf Basis eines Vektornetzwerkanalysators erstmalig etabliert. Dieses neue Messsystem wurde im Vorfeld detailliert untersucht, um das korrekte Zusammenspiel aller Komponenten zu {\"u}berpr{\"u}fen. In diesem Zusammenhang wurde ein frequenzaufgel{\"o}stes Mikrowelleninterferometer zur Messung der Elektronendichte in einer Fluoreszenzlampe aufgebaut. Durch diesen neuartigen Ansatz konnte der Einfluss der dielektrischen Umh{\"u}llung (Glasrohr der Lampe) auf die Mikrowelleninterferometrie untersucht werden. In einer weiteren Untersuchung an einem Induktiv Gekoppelten Plasma wurden die Resultate dieses Messsystems mit denen von Langmuir-Sondenmessungen. Auf Grund der konstruktiven Gegebenheiten des Reaktors ist das Plasma nur {\"u}ber ein Fenster f{\"u}r das Mikrowelleninterferometer zug{\"a}nglich. Der Vergleich der ermittelten Elektronendichten ergab einen Unterschied von Faktor zwei zwischen Interferometer und Langmuir-Sonde. Die Untersuchungen an der Fluoreszenzlampe und dem Induktiv Gekoppelten Plasma zeigten zum einen die korrekte Funktion des neu etablierten frequenzvariablen Mikrowelleninterferometers mit erreichbaren Phasenaufl{\"o}sungen unterhalb von 0,1 mrad. Zum anderen wurde festgestellt, dass die dielektrische Umh{\"u}llung des Plasmas zu einem systematischen Fehler von bis 53 \% bei der Elektronendichtebestimmung f{\"u}hren kann. Diese gewonnenen Erkenntnisse hatten bei der Konzipierung des Mikrowelleninterferometers zur Untersuchung der Plasmamikrowellenwechselwirkung einen entscheidenden Einfluss. Neben der Untersuchung des Plasmas ist ebenfalls eine Diagnostik des Mikrowellenfeldes n{\"o}tig, um die Plasmamikrowellenwechselwirkung dieser Entladung experimentell zu charakterisieren. Auf Grundlage dieser Daten k{\"o}nnen die Resultate des Modells bewertet werden, die einen Einblick in die Plasmaquelle und ihrer dynamischen Vorg{\"a}nge erlaubt, was f{\"u}r die Weiterentwicklung der Applikationen essentiell ist. Aus diesem Grund ist ein heterodynes Reflektometer entwickelt worden. Dieses Messsystem wurde umfangreich getestet und kann mit einer maximalen Zeitaufl{\"o}sung von 100 ns den komplexen Reflektionsfaktor mit einer Phasengenauigkeit von 10 mrad bestimmen. Das Reflektometer erlaubt einen experimentellen Zugang zur aktiven Zone schon in der Fr{\"u}hphase der Entladung. Mit Hilfe der Diagnostiken zur Untersuchung des Plasmas und des Mikrowellenfeldes wurde die Entladung von der Z{\"u}ndung bis zur station{\"a}ren Phase charakterisiert und mit den Ergebnissen des Modells verglichen. Es zeigte sich eine gute {\"U}bereinstimmung im Millisekundenzeitbereich, sowie eine starke Dynamik im Reflektionsfaktor in der ersten Millisekunde, hervorgerufen durch die Plasmamikrowellenwechselwirkung. Durch die hohe Zeitaufl{\"o}sung des Reflektometers konnten diese Vorg{\"a}nge im Mikrosekundenzeitbereich erstmalig experimentell aufgel{\"o}st werden, was die Interpretation mittels des Modells m{\"o}glich macht. Es konnten die Vorg{\"a}nge w{\"a}hrend der Z{\"u}ndung des Plasmas detailliert untersucht werden und damit die Richtigkeit von Annahmen, die bei der Entwicklung der Z{\"u}ndtechnologie getroffen wurden, {\"u}berpr{\"u}ft werden. Dieses erworbene grundlegende Verst{\"a}ndnis erm{\"o}glicht eine Weiterentwicklung dieser Technologie. Mit Hilfe der erzielten Ergebnisse wurde eine neue Optimierungsstrategie f{\"u}r die Abstimmung der Mikrowellenplasmaquelle entwickelt. Dies f{\"u}hrte zu einer wesentlichen Verbesserung der Reproduzierbarkeit der mikrobiologischen Ergebnisse. Dar{\"u}ber hinaus bilden die erzielten Ergebnisse eine solide Grundlage f{\"u}r weitere experimentelle und theoretische Untersuchungen dieser Entladung in beispielsweise anderen Arbeitsgasen.},
  language  = {de}
}