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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:9-001036-8

Stereoscopic Imaging of Dusty Plasmas under Microgravity Conditions

  • In this thesis, a stereoscopic camera system is presented that is designed for the use on parabolic flights for the investigation of dusty plasmas under microgravity conditions. This camera system consists of three synchronously triggered high-speed cameras observing a common volume of approximately (15 × 15 × 15) mm³ size. In this volume, the three-dimensional trajectories of a large number of particles surrounded by a dense dust cloud were reconstructed. For this task an intricate set of reconstruction algorithms has been developed, including a four-frame linking algorithm and a complex combined 2D/3D tracking algorithm for a reliable tracking of 3D particles. Furthermore, these algorithms effectively suppress so-called ghost particles in the evaluation process which are reconstructed from falsely identified 2D particle correspondences. Dusty plasmas under microgravity conditions are of special interest due to their complex structure and the variety of observable dynamic phenomena. Under typical discharge conditions, a central dust-free void is formed, surrounded by a dense particle cloud. Since the void is inherently dust-free, particles shot into the void can be uniquely identified and used to probe plasma properties inside this region. In the dust cloud itself, processes like self-excited dust-density waves can be observed under suitable experimental conditions. Using the presented camera setup and reconstruction algorithms, two parts of a dusty plasma under microgravity on parabolic flights are investigated. Initially, the force field creating and sustaining the central void is deduced and characterized. The combination of ion drag and electric field force is measured and compared to current models of the ion drag, showing a good agreement with these models. While previous investigations on the forces were limited to two-dimensional slices through the void, our measurements represent the first three-dimensional quantitative analysis of a large fraction of the void region. From this analysis the structure of the force field is determined and separated into a radial and a non-radial (or orthogonal) contribution. It is shown that the radial contribution dominates in the central void, while non-radial forces increase in magnitude close to the void edge. The radial domination is also observed in the velocity distribution of the probe particles which is significantly shifted to radially outward directed velocities for particles leaving the void. Assuming a strictly radial force profile in the horizontal mid-plane of the void, the friction coefficient determining the interaction of the probe particles with the neutral gas background is experimentally determined and shown to match the theoretical expectation. Subsequently, particles at the outer surface of the dust cloud are reconstructed. There, the particles are found to oscillate due to dust-density waves propagating through the high-density dust cloud. For the investigation of the correlation between waves and oscillating particles, the instantaneous wave and oscillation properties are determined and the instantaneous phase difference is obtained. Modeling the probe particles as driven, damped harmonic oscillators, these phase differences between waves and particles are interpreted with respect to the resonance frequency of the oscillating particles. Spatial variations of the phase difference are observed that may be attributed to different frequencies of the dust-density waves, or to changes of the resonance frequency induced by changing local plasma parameters. From a few measurements of particles oscillating at their resonance frequency, information about the surrounding plasma or properties of the particles themselves can be deduced. However, a larger number of reconstructed trajectories is necessary in order to interpret the phase differences on a reliable data basis. The presented camera setup in combination with the evaluation algorithms is a flexible system for the investigation of three-dimensional dusty plasmas. Its robust construction allows the operation of the system in challenging environments such as on parabolic flights, where spatial limitations and vibrations produced by the aircraft make special demands on such a diagnostic tool. This versatility makes our stereoscopic camera setup and the reconstruction process a suitable standard diagnostic for the application with dusty plasmas; this system will therefore be used in future research amongst other things for the investigation of boundary layers in extended three-dimensional dust clouds under microgravity.
  • In dieser Arbeit wird ein stereoskopisches Kamerasystem vorgestellt, das für die Untersuchung staubiger Plasmen unter Schwerelosigkeit auf Parabelflügen entwickelt wurde. Dieses Kamerasystem besteht aus drei synchronisierten Hochgeschwindigkeitskameras, die ein gemeinsames Volumen von etwa (15 × 15 × 15) mm³ Größe beobachten. In diesem Volumen wurden die dreidimensionalen Trajektorien einer großen Anzahl von Partikeln rekonstruiert, die von einer Staubwolke hoher Partikeldichte umgeben sind. Hierfür wurde ein komplexer Satz an Algorithmen entwickelt, der einen Vier-Frame-Algorithmus für das Verfolgen einzelner Partikel sowie einen kombinierten 2D/3D-Tracking-Algorithmus für eine zuverlässige Bestimmung der 3D Partikeltrajektorien enthält. Darüber hinaus unterdrücken diese Algorithmen sogenannte Ghost-Partikel im Auswerteprozess, die aus falsch identifizierten Korrespondenzen von Partikelprojektionen entstehen. Staubige Plasmen unter Schwerelosigkeit sind besonders interessant aufgrund ihrer komplexen Struktur und der Vielfalt an beobachtbaren dynamischen Prozessen. In typischen Entladungsbedingungen bildet sich ein zentrales, staubfreies Void aus, das von einer Partikelwolke hoher Dichte umgeben ist. Da dieses Void naturgemäß vollständig staubfrei ist, können in das Void eingebrachte Testpartikel eindeutig identifiziert und damit als Sonden für lokale Plasmaparameter verwendet werden. In der Staubwolke selbst können, unter geeigneten Entladungsbedingungen, Prozesse wie selbsterregte Staubdichtewellen beobachtet werden. Mit dem hier vorgestellten stereoskopischen Kamerasystem und den Rekonstruktionsalgorithmen wurden nun zwei verschiedene Ausschnitte von Staubwolken unter Schwerelosigkeit auf Parabelflügen dreidimensional untersucht. Zunächst wird das Kraftfeld charakterisiert, das der Voidbildung und -erhal\-tung zugrunde liegt. Hierfür wird die Überlagerung aus Ionenwindkraft und elektrischer Feldkraft gemessen und mit gängigen Modellen für den Ionenwind verglichen, wobei sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Messung und Modell zeigt. Während frühere Untersuchungen des Kraftfeldes im Void auf zweidimensionale Schnitte durch das Void beschränkt waren, stellt unsere Messung die erste quantitative dreidimensionale Analyse des Kraftfeldes in einem großen Teil des Voids dar. Aus dieser Analyse wird die Struktur des Kraftfeldes bestimmt und dessen radiale und nicht-radiale (orthogonale) Komponenten ermittelt. Es zeigt sich, dass in der Voidmitte radiale Kräfte überwiegen, während in der Nähe des Voidrandes der Beitrag nicht-radialer Kräfte zur Gesamtkraft zunimmt. Der grundsätzlich radiale Charakter des Kraftfeldes zeigt sich auch in den Geschwindigkeitsverteilungen der Testpartikel. Die Geschwindigkeitsverteilung derjenigen Partikel die das Void verlassen zeigt ein deutlich radial nach außen gerichtetes Profil, das durch das radiale Kraftfeld hervorgerufen ist. Unter der Annahme eines vollständig radialen Kraftfeldes in der Projektion auf eine Ebene parallel zu den Elektroden kann der Reibungskoeffizient, der die Wechselwirkung zwischen Partikeln und neutralem Gashintergrund bestimmt, experimentell ermittelt werden. Ein Vergleich mit dem theoretisch erwarteten Wert zeigt auch hier eine sehr gute Übereinstimmung. Als zweiter Teil dieser Arbeit wurden Partikel am äußeren Rand der Staubwolke rekonstruiert. Dort werden die Partikel durch Staubdichtewellen in der Staubwolke zu Oszillationen angeregt. Für eine Untersuchung der Beziehung zwischen Wellen und Testpartikeln werden die instantanen Eigenschaften von Welle und Teilchen bestimmt und daraus die instantane Phasendifferenz berechnet. Diese Phasendifferenzen zwischen Wellen und schwingenden Testpartikeln werden im Bild des gedämpften, harmonischen Oszillators mit Blick auf die Resonanzfrequenz der Partikel interpretiert. Hier wird eine räumliche Verteilung der Phasendifferenzen beobachtet, der zwei Mechanismen zugrunde liegen können: entweder ändert sich die Schwingungsfrequenz von Welle und Testpartikel relativ zur Resonanzfrequenz, oder aber die Parameter des umgebenden Plasmas verändern die Resonanzfrequenz selbst. Aus einer zeitweisen Übereinstimmung von Treiberfrequenz und Resonanzfrequenz einiger Partikel können im Idealfall Erkenntnisse über das umgebende Plasma oder die Partikel selbst gewonnen werden. Die aktuelle Datengrundlage ist jedoch derzeit noch nicht ausreichend, um verlässliche Aussagen über eine räumliche Verteilung der Phasendifferenzen oder den zugrunde liegenden Mechanismus treffen zu können.

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Metadaten
Author: Birger Buttenschön
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001036-8
Title Additional (German):Stereoskopie komplexer Plasmen unter Schwerelosigkeit
Advisor:Prof. Dr. André Melzer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2011/07/19
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2011/07/13
Release Date:2011/07/19
Tag:Rekonstruktion, Schwerelosigkeit, Stereoskopie
complex plasma, reconstruction, stereoscopy
GND Keyword:Hochfrequenzplasma, Komplexes Plasma
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik
PACS-Classification:50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.27.-h Basic studies of specific kinds of plasmas / 52.27.Lw Dusty or complex plasmas; plasma crystals
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.70.-m Plasma diagnostic techniques and instrumentation / 52.70.Kz Optical (ultraviolet, visible, infrared) measurements