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Licht- und Elektronenstreuung an dielektrischen Strukturen im Plasma

  • Motiviert durch den Vorschlag einer direkten, optischen Ladungsmessung an Staubteilchen wird die Lichtstreuung an den dielektrischen Kern-Schale-Teilchen tiefgehend untersucht. Das Streuregime wird durch Analyse des Nah- und Fernfeldes unter Verwendung von Methoden, die für homogene Teilchen entwickelt wurden, eingehend charakterisiert und eine Verallgemeinerung der dazu verwendeten Funktionen auf ein k-fach beschichtetes Teilchen angegeben. Dabei werden die sich im Teilcheninneren manifestierenden Effekte der Hybridisierung der beiden Oberflächenphononen des Kern-Schale-Teilchens herausgearbeitet und visualisiert. Die vorliegende Untersuchung der unterschiedlichen Kenngrößen ermöglicht ein detailliertes und umfangreiches Verständnis der Lichtstreuung an dielektrischen Kern-Schale-Teilchen und der Art und Weise, wie sich die Hybridisierung der Oberflächenphononen auf diese auswirkt. Die dabei analysierte Interferenzstruktur des elektromagnetischen Feldes in der Teilchenschale, berechnet mittels der vollen Mie-Rechnung, passt zur Interpretation der optischen Antwort des Kern-Schale-Teilchens mithilfe der Hybridisierungstheorie. Dieses Hybridisierungsbild und somit die Subsysteme und ihre Wechselwirkung werden in dieser Arbeit aus den analytisch exakten Mie-Koeffizienten heraus präpariert, um die neue Sichtweise mit der alten Mie-Theorie zusammenzubringen. Die Idee einer spektroskopische Ladungsmessung wird im Hinblick auf die Bestimmung der Wandladung aufgegriffen. Die bisherigen Methoden zur Ladungsmessung sind zwar vielfältig, bieten jedoch nur Zugang zur absoluten Wandladung und liefern keine Informationen über ihre Verteilung senkrecht zur Oberfläche oder über die Dynamik der Aufladung. Beides wäre jedoch für ein mikroskopisches Verständnis der Plasma-Wand-Wechselwirkung notwendig, sodass die Elektronenenergieverlustspektroskopie zur Ladungsbestimmung vorgeschlagen wird. Die Methode wird zunächst anhand einer lokalen Antworttheorie für verschiedene in die Wand eingesetzte Schichtstrukturen ausgelotet und aufgrund vielversprechender Resultate anschließend mittels der im betrachteten Parameterbereich notwendigen nichtlokalen Antworttheorie eingehend untersucht. Diese Theorie erfasst die Anregung von Resonanzen höherer Moden, die sich als besonders sensitiv auf die zusätzlichen Ladungsträger erweisen. Insgesamt wird ein experimenteller Aufbau mit einer geeigneten, in die Plasmakammerwand einsetzbaren Schichtstruktur vorgeschlagen, mit dem die Wandladung durch Elektronenenergieverlustspektroskopie bestimmt werden könnte.
  • Motivated by the proposal for a direct optical charge measurement on dust particle we investigate light scattering on dielectric core-shell particles. The scattering regime is characterized by methods developed for homogenous particles, thereby the used function are generalized to arbitrary coated spheres. The hybridization effects of the two surface phonons dominating the inside of core-shell-particle is worked out and visualized. The results enable a detailed and comprehensive understanding of light scattering on dielectric core-shell particles and the way in which the hybridization of surface phonons affects it. The analysed interference structure of the electromagnetic field in the shell, calculated using the full Mie theory, corresponds to the interpretation of the optical response of the core-shell particle within the hybridization theory. In this work the hybridization picture and thus the subsystems and their interaction are derived from the analytically exact Mie coefficients in order to bring the new perspective together with the old Mie theory. The idea of a spectroscopic charge measurement is adopted the determination of wall charge. The available methods for charge measurement only offer access to the absolute wall charge and do not provide any information about its distribution perpendicular to the surface or about the charge dynamics. As both is necessary for a microscopic understanding of the plasma-wall interaction, the electron energy loss spectroscopy is proposed for determining the charge. First the method is analysed using a local response theory for different layered structures inserted into the wall and, based on promising results, then examined in detail using the non-local response theory required in the parameter range under consideration. This theory enable the excitation of higher modes, which are particularly sensitive to the additional charge carriers. Overall, an experimental setup with a suitable layered structure inserted into the wall is proposed, which enables to determine the wall charge by electron energy loss spectroscopy.

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Metadaten
Author: Elena Thiessen
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-45105
Title Additional (English):light and electron scattering by dielectric structures in plasma
Referee:PD Dr. Franz Xaver Bronold, Prof. Dr. Thomas Mussenbrock
Advisor:PD Dr. Franz Xaver Bronold
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2021
Date of first Publication:2021/04/20
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2021/02/24
Release Date:2021/04/20
Tag:Hybridisierungstheorie, Mie-Theorie, Plasmonik
GND Keyword:Elektronenstreuung, Lichtstreuung
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik