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Jörg Pfannmöller

• In this thesis wave propagation in the whistler wave frequency range ωci≤ω≤ωce in the linear magnetized plasma experiment VINETA is investigated. The plasma is generated by a helicon antenna and has a diameter of about 10 cm. Whistler waves are launched by a loop antenna with a diameter of 4.5 cm and the fluctuating magnetic field is mapped by Ḃ-probes. Experiments are carried out for plasma parameters γ≤1/ √ 2 under which the only transversal polarized wave according to plane wave dispersion theory is the whistler wave. Due to the small collision frequencies ν≪1 cyclotron damping of whistler waves in this parameter regime is dominant and depends only on the electron plasma-β. The influence of the inhomogeneous plasma profile and excitation by a loop antenna is investigated by measurements of the fluctuating magnetic field perpendicular to the ambient magnetic field in azimuthal and radial axial planes. A mode characterized by the number of wave lengths m in the azimuthal direction is found. The mode structure is modified by the specific shape of the plasma density profile. Profiles with a homogeneous density inside the plasma radius are found to posses a comparably simple mode structure. An agreement in the mode structure of full-wave simulations in three dimensions, including a Gaussian density profile and excitation of the wave by a loop antenna, with the experimental results is found. Conclusions on the spatial structure of the excited mode are drawn using the simulations which predict excitation of an m=2 mode. The wave is found to be ducted within the plasma radius over a wide parameter range. A Helmholtz decomposition of the simulations electric field exhibits the fluctuating space charge as the dominant source for the electric field, while the contribution due to induction is negligible. The magnetic field is given partially by the electron and displacement current. Both contributions to the magnetic field are of the same order of magnitude. The frequency dependency of the excited modes spatial damping increment is investigated using measurements of the magnetic fluctuations along the symmetry axis of the plasma. In order to illustrate the parameter dependency, the electron plasma-β is varied over two orders in magnitude in the range β = 4·10-4 - 2.4·10-2. The experimental result for the spatial damping increment of the mode yields a strong damping for wave frequencies ω/ωce > 0.5 at maximum plasma-β, which shifts to higher frequencies with decreasing β. The parameter dependency of the damping for a fixed frequency is studied in an axial ambient magnetic field gradient. In both cases an excellent agreement between the experimental result and predictions for cyclotron damping from plane wave dispersion theory is found.
• In dieser Dissertation wird die Ausbreitung von Wellen im Whistlerwellen Frequenzbereich ωci≤ω≤ωce im linear magnetisierten Plasmaexperiment VINETA untersucht. Das Plasma wird von einer Helikonantenne erzeugt und hat einen Durchmesser von 10 cm. Whistlerwellen werden von einer Schleifenantenne mit einem Durchmesser von 4.5 cm angeregt und deren Magnetfeld wird mit Ḃ-Sonden detektiert. Die Experimente werden in einem Parameterbereich γ≤1/√ 2 durchgeführt für den die Dispersionstheorie für ebene Wellen als einzige transversal polarisierte Welle die Whistlerwelle vorhersagt. Aufgrund der vernachlässigbar kleinen Stoßfrequenz γ≤1/ √ 2 ist die Dämpfung der Whistlerwelle in diesem Parameterbereich durch Zyklotrondämpfung bestimmt welche nur vom Elektronen Plasma-β abhängt. Der Einfluss der Plasmainhomogenität und der Anregung per Schleifenantenne wird durch Messungen des fluktuierenden Magnetfeldes senkrecht zum Hintergrundmagnetfeld in azimutalen und radial axialen Ebenen im Plasma untersucht. Diese zeigen eine Modenstruktur die durch die Anzahl der Wellenlängen m in der azimutalen Feldkomponente bestimmt ist. Die Modenstruktur wird durch das Dichteprofil des Plasmas modifiziert und besitzt in Plasmen mit homogener Plasmadichte innerhalb des Plasmaradius eine vergleichsweise einfache Struktur. Dreidimensionale full-wave Simulationen, unter Annahme eines Gauß'schen Plasmadichteprofiles und Anregung der Welle durch eine Schleifenantenne, zeigen in ihrer Modenstruktur eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Dies erlaubt einen Rückschluss auf die räumliche Struktur der angeregten Mode welche eine m=2 Modenstruktur aufweist. Die Ausbreitung der Welle ist über einen weiten Parameterbereich auf einen räumlichen Bereich innerhalb des Plasmaradius begrenzt. Mittels einer Helmholtzzerlegung des elektrischen Feldes der Simulationen wird die fluktuierende elektrische Raumladung als dominante Quelle des elektrischen Feldes identifiziert, Beiträge durch Induktion sind vernachlässigbar. Das magnetische Feld ist durch den Elektronenstrom und den Verschiebungsstrom gegeben. Die Simulationen zeigen einen Beitrag beider Ströme zum Magnetfeld, der in der gleichen Größ enordung liegt. Die Frequenzabhängigkeit des räumlichen Dämpfungsinkrementes der angeregten Mode wird mittels Messung der magnetischen Fluktuationen entlang der Symmetrieachse des Plasmas charakterisiert. Zur Darstellung der Parameterabhängigkeit wird das Elektronen Plasma-β um zwei Größenordungen im Parameterbereich β = 4·10-4 - 2.4·10-2 variiert. Das experimentelle Ergebnis für das räumliche Dämpfungsinkrement der Mode weist bei großem Plasma-β starke Dämpfung für Frequenzen ω/ωce > 0.5 auf, diese verschiebt sich zu höheren Frequenzen bei kleinerem β. Die Parameterabhängigkeit der Dämpfung bei einer festen Anregungsfrequenz wird in einem axialen Gradienten des Hintergrundmagnetfeldes untersucht. In beiden Fällen gibt es eine exzellente Übereinstimmung zwischen dem experimentellen Ergebnis und Vorhersagen der Dispersionstheorie für ebene Wellen.