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Experiments on Whistler Wave Dispression in Bounded Magnetised Plasmas

  • Within the scope of this work, a versatile large linear magnetised plasma experiment was designed, constructed, and subsequently put into operation. The magnetised plasma was used to investigate the dispersion of whistler waves (circular polarised electromagnetic waves) with regard to the influence of the plasma boundaries. After a brief review over electromagnetic plasma waves and the three discharge modes of a helicon source, the experimental device and the diagnostic tools are explained in detail. Great attention is devoted to the identification of a reliable, calibrated magnetic fluctuation probe design. To the understanding of dynamical phenomena in ionospheric plasmas, whistler wave measurements in laboratory experiments may contribute significantly because of the ability to vary plasma parameters and to do measurements with high spatial and temporal resolution. However, the boundaries of laboratory experiments change the dispersion behaviour of whistler waves significantly if compared to the unbounded ionospheric situation. The influence of the plasma boundary is studied in the present work on three different levels of increasing complexity. First, a high density, small wavelength regime is established to make the effect of the boundary negligible. Measurements are in full agreement with whistler wave theory for unbounded plasma geometry. Measurements below the ion cyclotron frequency reveal the strong influence of the ion dynamics on whistler wave propagation, but are not straightforward to interpret in terms of dispersion theory. Second, the other limit case is examined: bounded plasma helicon modes. These waves are, mathematically speaking, eigenfunctions of the plasma-boundary system and are of great practical importance for high density plasma discharges, the helicon source. Careful measurements of the equilibrium plasma parameters as well as the magnetic fluctuation profiles of the helicon source are done in all three modes of operation, the capacitive, inductive, and helicon wave sustained mode. The first two modes are fairly well understood and the measurements are consistent with existing models. The high density helicon mode, however, is still a scientific case. The measurements partially confirm existing assumptions. It is demonstrated that the plasma production is detached from the antenna edge region. Moreover, it is shown that the plasma parameters are self-consistently determined by the antenna geometry and the discharge parameters according to basic helicon wave theory. Finally, it is ruled out that the plasma density is the control parameter determining the transition point into the high density helicon mode. The measurements rather suggest that the rf power density is the important value. As a third aspect, whistler waves in an intermediate wavelength regime are studied and the transition from unbounded to bounded plasma wave dispersion is systematically investigated. It is shown both experimentally and numerically that the wave dispersion in a plasma filled metal waveguide cannot be determined solely from wave vector measurements parallel to the magnetic field. For a correct description, the perpendicular mode profile has to be correctly taken into account. In contrast to simple helicon wave theory, it is demonstrated that the perpendicular mode profile is not only determined by the conducting vessel boundaries alone but the entire plasma-boundary system has to be considered as a unity. To summarise, this work has contributed to a better understanding of the physics of the propagation of whistler waves, where the particular role of metal boundaries acting as wave guides was highlighted. This basic science approach to the waves' dynamics is believed to be of significance in the course of the scientific debate on the physics principles of helicon discharges.
  • Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine große, universell einsetzbare, linear magnetisierte Plasmaanlage entworfen, konstruiert und erfolgreich in Betrieb genommen. In dieser Anlage wurden Experimente durchgeführt, die den Einfluss der Plasmaberandung auf die Dispersion von Whistlerwellen untersuchen. Die Arbeit wird durch eine kurze Einführung in die Physik von Plasmawellen und einem Ãœberblick über die drei Entladungsmodi einer Helikonquelle eingeleitet. Anschließend werden das Plasmaexperiment und die verwendeten Diagnostiken erläutert. Besonderes Augenmerk ist auf die Konstruktion einer zuverlässigen und absolut kalibrierten magnetischen Fluktuationssonde gelegt worden. Im Gegensatz zu natürlichen, ionosphärischen Plasmen können die Plasmaparameter in Laborplasmen über einen großen Bereich hinweg kontrolliert werden und Messungen können mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung durchgeführt werden. Dafür sind Laborplasmen aber gezwungener Maßen immer berandet und die Dispersionseigenschaften von Wellen werden dadurch mehr oder weniger stark verändert. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Plasmaberandung in drei verschieden starken Ausprägungen untersucht. Zum einen wird gezeigt, dass der Einfluss der Berandung in Plasmen hoher Dichte und bei kleinen Wellenlängen vernachlässigbar gering ist. Messungen in der Nähe der Ionenzyklotronfrequenz zeigen den Einfluss der Ionen auf die Dispersion. Zum zweiten werden Wellen in stark berandeten Plasmen untersucht, so genannte Helikonwellen. Diese sind Eigenfunktionen des Plasma-Berandungs-Systems und haben z.B. in Helikonquellen eine weit verbreitete Anwendung gefunden. Räumlich hoch aufgelöste Messungen sowohl der Plasmaparameter als auch der magnetischen Fluktuationsprofile sind in allen drei Entladungmodi der Helikonquelle aufgenommen worden. Die Mechanismen des kapazitiven und induktiven Entladungsmodus sind in der Literatur zufriedenstellend erklärt und können mit den hier gezeigten Messungen voll bestätigt werden. Der Entladungsmechanismus des Helikonmodes hingegen ist immer noch in der Diskussion und gängige Annahmen können teilweise bestätigt werden. So ist z.B. die Plasmaproduktion von der Antennenrandschicht entkoppelt, was eindeutig gezeigt werden kann und auf Wellenheizung hindeutet. Desweiteren stellen sich die Plasmaparameter in Ãœbereinstimmung zur Theorie selbstkonsistent mit den geometrischen Antennenabmessungen und den Entladungsparametern ein. Hingegen wird ausgeschlossen, dass die Plasmadichte der Kontrollparameter ist, der den Punkt des sprunghaften Ãœbergangs in den Helikonmodus bestimmt. Die Messungen deuten eher darauf hin, dass die Leistungsdichte der RF-Antenne hierfür verantwortlich ist. Als dritten Aspekt des Berandungseinflusses wird die Wellenausbreitung in einem Bereich zwischen stark berandetem und unberandetem Plasma untersucht. In Experimenten und mit Hilfe numerischer Berechnungen wird gezeigt, dass die Bestimmung der Wellenvektoren parallel zum Magnetfeld allein nicht ausreicht, um die Dispersion zufriedenstellend anzugeben. Vielmehr muss auch das senkrechte Wellenfeld für eine exakte Beschreibung berücksichtigt werden. Das senkrechte Wellenfeld ist, ganz im Gegensatz zu einfachen Theorien, nicht allein durch die leitende Berandung des Experiments gegeben, sondern muss aus dem gesamten Plasma-Gefäß-System bestimmt werden. Alles in allem trägt diese Arbeit zur wissenschaftlichen Diskussion um die Grundlagen der Wellenausbreitung in Plasmen bei. Besonders die Rolle der oft vernachlässigten Plasmaberandung wird dabei berücksichtigt und somit auch ein Beitrag zur derzeitigen intensiven Diskussion um den effizienten Entladungsmechanismus der Helikonquelle geleistet.

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Metadaten
Author: Christian M. Franck
URN:urn:nbn:de:gbv:9-200310-9
Title Additional (English):Experimente zur Whistlerwellendispersion in berandeten, magnetisierten Plasmen
Title Additional (German):keine Angaben
Advisor:Prof. Dr. Thomas Klinger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2006/07/18
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2003/03/05
Release Date:2006/07/18
GND Keyword:Plasmaphysik
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik