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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-002023-5

Beiträge zur optischen und elektrischen Charakterisierung des dynamischen Verhaltens von Plasmaspezies in Atmosphärendruck-Plasmen

  • Die vorliegende Arbeit liefert Beiträge zur optischen und elektrischen Charakterisierung des dynamischen Verhaltens von Plasmaspezies in Atmosphärendruck-Plasmen insbesondere mit Hinsicht auf den Einsatz in der Plasmamedizin. Dabei wurde ein breites Spektrum verschiedener Diagnostiken angewandt, um die Zugänglichkeit zur Bestimmung weiterer Plasmaparameter an Atmosphärendruck zu prüfen. Diese Arbeit stellt eine neue Methode zur Bestimmung der Ionendichte bei Atmosphärendruck- Bedingungen vor, bei der elektrische Oszillationen ausgewertet werden, deren Ursprung ionenakustische Wellen im Plasma sind. Weiterhin wurden neben relativen optischen Messungen wie der phasenaufgelösten optischen Fotografie (PROI) und der Kreuz- Korrelations-Spektroskopie (CCS) auch absolute optische Messungen mit der interferometrischen Hakenmethode und dem Pockels-Effekt durchgeführt. Anhand von elektrischen Messungen wurde ferner gezeigt, dass mit einer Strom- und Spannungs-Charakteristik der Einfluss von Aufbauparametern, wie der Kapillarposition oder dem Gasfluss, auf das Plasma untersucht werden kann. Gegenstand der Untersuchungen waren verschiedene Plasmaquellen, die für eine Nutzung in der Plasmamedizin entwickelt wurden. Sowohl die elektrischen Messungen des Parametereinflusses als auch die Bestimmung der Ionendichte erfolgten an der selbstpulsenden transienten Funkenentladung in Argon an offener Atmosphäre. Der geringe Filamentdurchmesser und der dennoch hohe Entladungsstrom ermöglichen die Detektion der ionenakustischen Instabilität. Darüber hinaus wurde diese erratisch zündende Entladung räumlich und zeitlich aufgelöst mit der CCS spektroskopisch untersucht. Dabei wird insbesondere die Selbst-Triggerung der CCS ausgenutzt, um einen Zeitbezug trotz des großen Entladungsjitter zu erhalten. Für die PROI wurden die räumlich und zeitlich stabilen Entladungsanordnungen der Nadel-Platte-Geometrie und des Kapillarjets in Helium gewählt. Die Anordnungen wurden mit einer periodischen Sinusspannung betrieben und wiesen Entladungsspalte von d = 5 - 15 mm auf. Eine besondere Anforderung der Messung mit dem Pockels-Effekt ist zu der räumlichen und zeitlichen Stabilität eine dielektrische Gegenelektrode, welche bei der Anordnung des Kapillarjets möglich war. Bei der Anwendung der interferometrischen Hakenmethode kam neben einem Erdgas-Sauerstoff-Mischgasbrenner sowohl eine Mikrowellen-Entladung (Plexc) als auch ein MHz-Plasmajet (kINPen) zur Anwendung. Die Bedeutung der elektrischen Messungen, besonders der Strom- und Spannungscharakteristik einer Entladung, wurde an dem Parametereinfluss der Kapillarposition einer erratisch zündenden transienten Funkenentladung vorgestellt. Es konnte gezeigt werden, dass der Zeitunterschied zwischen dem Stromsignal eines Vorstreamers und der Hauptentladung durch das Einbringen einer Kapillare in den Entladungsspalt deutlich verringert wird. Insbesondere der Beitrag der lokalen elektrischen Feldstärkeerhöhung an der Kapillarkante und der Diffusionsanteil der Umgebungsluft wurden als Ursachen, durch Vergleich einer Feldsimulation mit der Beobachtung der Vorphase an der Kapillarkante in den CCS-Messungen, diskutiert. Anschließend konnte gezeigt werden, dass der Leistungseintrag in die Vorphase durch die Platzierung der Kapillare deutlich reduziert werden kann. Ein wesentliches Ergebnis dieser Arbeit ist die Beobachtung von ionenakustischen Wellen als Oszillationen im Abklingen des Stromsignals einer erratisch zündenden transienten Funkenentladung. Hierzu war es nötig, elektrische Störungen zu erkennen und zu eliminieren. Es konnte ein Erdschleifen-freier Aufbau realisiert werden. In diesem Aufbau zeigt sich, dass die Signale der ionenakustischen Welle ausschließlich in einem bestimmten Gasflussbereich beobachtet werden. Die gemessene Frequenz der Oszillationen wurde als Ionenplasmafrequenz f_{pl ,i} identifiziert und enthält daher Angaben zu den Ionendichten im Bereich von n_{Ar_2^+} = 3•10^{14} cm^{-3} bis 1•10^{12} cm^{-3}. Nach einer Abschätzung der zu erwartenden Elektronendichte, die der gemessenen Ionendichte sehr nahe kommt, wurde die Dispersionsrelation für die vorhandenen Entladungsbedingungen aufgestellt und gelöst. Dabei zeigt sich eine starke zeitliche Dämpfung über die Ionen-Neutralteilchenstöße sowie eine räumliche Verstärkung für die Ionenplasmafrequenz. Aus der Dämpfung der Oszillationsamplituden konnte die Ionen- Neutralteilchen-Stoßfrequenz nu_i = 3•10^7 Hz ermittelt werden. Weiterhin ergibt sich aus der Lösung der Dispersionsrelation ein Existenzbereich für die ionenakustischen Wellen in Abhängigkeit von der Ionendichte und der elektrischen Feldstärke.
  • The thesis presents contributions to the optical and electrical characterization of the dynamic of plasma species in atmospheric pressure plasmas, especially with regard on a potential application in plasma medicine. A broad spectrum of different diagnostic systems was investigated to test the accessibility of plasma parameter. One of these systems is a new approach to determine the absolute ion density at atmospheric pressure by evaluating current oscillations, that result from ion acoustic waves in the plasma. Furthermore, relative optical measurements like the phase resolved optical imaging (PROI) and the cross-correlation-spectroscopy (CCS) and absolute opical measurements with the interferometric hook method and the Pockels-effect were performed. Additionaly, the influence of a capillary in the discharge gap on the plasma ignition was investigated by current and voltage measurements. These diagnostic setups were applied on different plasma sources, that were developed for a potential future application in plasma medicine. The electrical investigation on the capillary position and the absolute ion density measurements by electrical current evaluation were performed with the self-pulsing transient spark discharge in argon at open atmosphere. The small diameter of the ignited discharge filament and the high discharge current allow the creation of an ion acoustic wave even at atmospheric pressure. Furthermore, this eratic igniting discharge type was investiged with the spatially, spectrally and temporally resolved CCS. Especially the self-triggering of this spectroscopic method allowed measurements despite a discharge-jitter of several microseconds. For investigations with PROI, the spatially and temporally stable discharge configurations of the sinusoidal needle-plane-geometry and the capillary-jet in helium were applied. The Pockel-effect requires a dielectric counter electrode, which was realized with the capillary-jet. Furthermore a methane gas flame, a microwave discharge (Plexc) and a MHz-plasmajet were investigated with the interferometric hook method. A special result of this work is the observation of ion-acoustic waves by electrical measurements of the erratic igniting transient spark discharge. After a careful removal of electrical noise and ground loops, weak oscillations could be observed in the current decay phase. These signals were limited to a certain gas flow range The measured frequency of around 50 MHz to 250 MHz were identified as the plasma ion frequency f_{pl ,i} and equal an absolute ion density of the argon molecular ion of n_{Ar_2^+} = 3•10^{14} cm^{-3} down to 1•10^{12} cm^{-3} within 100 ns. In addition, the dispersion relation for the ion movement under atmospheric pressure conditions was solved and showed the existence of an ion acoustic wave despite the high collision frequency of the ion species with the neutral gas background. Furthermore, the dispersion relation revealed a relation of the temporal damping with the ion-neutral collision frequency and a value of nu_i = 3•10^7 Hz was gained. Additionaly, the limits of existence of an ion acoustic at atmospheric pressure could be determined, depending on the electrical field strength and the ion density.

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Metadaten
Author: Torsten Gerling
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002023-5
Title Additional (English):Contributions to optical and electrical characterisation of the dynamic of plasma species in atmospheric pressure plasmas
Advisor:Prof. Dr. Klaus-Dieter Weltmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2014/10/16
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2014/10/07
Release Date:2014/10/16
Tag:Zeitaufgelöste Diagnostik
Phaseresolved Diagnostic
GND Keyword:Elektrischer Strom / Messung, Emissionsspektroskopie, Ionendichte, Optisches Messgerät, Plasmadiagnostik, Plasmaphysik
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik