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Kinetic Simulations of Dusty Plasmas

  • This thesis constitutes a computational study of charge and ion drag force on micron-sized dust particles immersed in rf discharges. Knowledge of dust parameters like dust charge, floating potential, shielding and ion drag force is very crucial for explaining complex laboratory dusty plasma phenomena, such as void formation in microgravity experiments and wakefield formation in the sheaths. Existing theoretical models assume standard distribution functions for plasma species and are applicable over a limited range of flow velocities and collisionality. Kinetic simulations are suitable tools for studying dust charging and drag force computation. The main aim of this thesis is to perform three dimensional simulations using a Particle-Particle-Particle-Mesh ($P^3M$) model to understand how the dust parameters vary for different positions of dust in rf discharges and how these parameters on a dust evolve in the presence of neighboring dust particles. At first, rf discharges in argon have been modelled using a three-dimensional PIC-MCC code for the discharge conditions relevant to the dusty plasma experiments. All necessary elastic and inelastic collisions have been considered. The plasma background is found collisional, charge-exchange collisions between ions and neutrals being dominant. Electron and ion distributions are non-Maxwellian. The dominant heating mechanism is Ohmic. Then, simulations have been done to compute the dust parameters for various sizes of dust located at different positions in the rf discharges. Dust charge and floating potential in the presheath are slightly larger than the values in the bulk due to the higher electron flux to the dust particle in the presheath. From presheath to the sheath the charge and floating potential values decrease due to the decrease of the electron current to the dust. A linear dependence of dust potential on dust size has been found, which results in a nonlinear dependence of the dust charge with the dust size when the particle is assumed to be a spherical capacitor. This has been verified by independently counting the charges collected by the dust. %where indeed it has been noted that the dust charge %scales nonlinearly with the dust size. The computed dust parameters are also compared with theoretical models. Simulated dust floating potentials are comparable to values obtained from Allen-Boyd-Reynolds (ABR) and Khrapak models, but much smaller than the values obtained from Orbit Motion Limited (OML) model. The dust potential distribution behaves Debye-H\"{u}ckel-like. The shielding lengths are in between ion and electron Debye lengths. % indicating shielding by both ions and electrons. Further, the orbital drag force is typically larger than the collection drag force. The total drag force for the collisional case is larger than for the collisionless case and it scales nonlinearly with the dust size. The collection drag values and size-scaling agrees with Zobnin's model. The charging and drag force computation is then extended to two and multiple static dust particles in the rf discharge to study the influence of neighboring dust particles on the dust parameters. Initially, the dust parameters on two dust particles are computed for various interparticle separation distances and for dust particles placed at different locations in the rf discharge. It is observed that for dust separations larger than the shielding length the dust parameters for the two dust particles match with the single dust particle values. As the dust separation is equal to or less than the shielding length the ion drag force increases due to the buildup of a parallel drag force component. However, the main dust properties like charge, potential, vertical component of ion drag are not affected considerably. This is attributed to the smaller collection impact parameter values compared to the dust separation. %This is because the %collection impact parameter values in the sheath and the presheath are smaller %than the smallest dust separation and in case of the dust in the bulk, the %collection impact parameter is comparable with the dust separation. Then the dust charges on multiple dust particles located at different positions in the discharge and arranged along the discharge axis are also computed. It is found that the charges of the multiple dust particles in the bulk or presheath do not differ much from the single particle values at that location. But the dust charges of multiple dust particles located in the sheath drastically differ from the single dust parameter values. Due to ion focusing from dust particles in the upper layers, the ion current increases to dust particles in the lower layers resulting in smaller charge values. This is as well the case where dust particles are vertically aligned as in the standard experiments of dusty plasmas. In conclusion, this work used a fully kinetic (PIC and MD or $P^3M$) model to study the physics of dust charging in rf plasmas. Our simulations revealed that the dust parameters vary considerably from the bulk to the sheath. The CX collisions increase flux to the dust thereby affecting the dust parameters and their scaling with dust size. Also, a dust particle affects the charging dynamics of its neighbor only when their separation is within the shielding length. In the plasma sheath, ion focussing can cause great reduction in dust charges.
  • Diese Arbeit behandelt computergestützte Untersuchungen zur Aufladung und Ionenwindkraft (Ion Drag) auf mikrometergroße Partikel in RF-Entladungen. Die Kenntnis von Staubparametern wie Partikelladung, Floatingpotential, Abschirmung und Ion Drag ist wesentlich für die Erklärung von Phänomenen in Laborexperimenten mit komplexen Plasmen, wie z.B. die Ausbildung des „Voids“ in Schwerelosigkeitsexperimenten und die Ausbildung des „Wakefields“ in der Randschicht. Bisherige theoretische Arbeiten beruhen auf der Annahme bestimmter Verteilungsfunktionen der Ladungsträger und sind nur über einen begrenzten Bereich von Teilchengeschwindigkeiten und Stoßraten anwendbar. Mit Hilfe kinetischer Simulationen hingegen lassen sich die Aufladung und der Ion Drag unter realistischen Bedingungen bestimmen. Hauptziel dieser Arbeit ist, unter Verwendung dreidimensionaler, sog. „Particle-Particle-Particle-Mesh (P3M)“-Simulationen, die Untersuchung, wie sich die Staubparameter für verschiedene Positionen des Staubs in der Entladung verhalten und wie sich diese Parameter in Anwesenheit benachbarter Teilchen ändern. Zunächst wurden RF-Entladungen in Argon mit einem 3D-PIC-MCC-Code modelliert, um die für die Staubexperimente relevanten Entladungsbedingungen zu bestimmen. Dabei wurden alle notwendigen elastischen und inelastischen Stöße berücksichtigt: Das Plasma ergibt sich als sehr stoßbestimmt, Ladungsaustauschstöße dominieren das Plasmaverhalten, die Elektronen- und Ionenverteilungen sind nicht-Maxwellsch und das Plasma wird durch Ohmsche Prozesse geheizt. Danach wurden Simulationen durchgeführt, um die Staubparameter für verschiedene Staubgrößen und für verschiedene Positionen in der Entladung zu bestimmen. Die Staubladung und das Floatingpotential sind wegen des höheren Elektronenflusses in der Vorschicht etwas größer als im Plasmavolumen. In der Randschicht nimmt die Staubladung und das Floatingpotential wegen des dort abnehmenden Elektronenstroms ab. Man findet weiterhin eine lineare Abhängigkeit des Staubpotentials von der Staubgröße, was eine nichtlineare Abhängigkeit der Staubladung von der Größe zur Folge hat. Staubladung und –potential wurden hier unabhängig voneinander bestimmt. Der Vergleich mit theoretischen Modellen zeigt, daß die simulierten Größen vergleichbar sind mit den Modellen von Allen-Boyd-Reynolds (ABR) und Khrapak, aber deutlich kleiner als die Werte aus dem OML-Modell. Man findet des weiteren eine Debye-Hückel-artige Abschirmung mit Abschirmlängen, die zwischen der Ionen- und Elektronendebyelänge liegen. Beim Ion Drag findet man, daß der Orbit-Beitrag größer ist als der Stoßbeitrag. Der gesamte Ion Drag skaliert nichtlinear mit der Staubgröße und ist im stoßbehafteten größer als im stoßfreien Fall. Die Simulation der Aufladung und des Ion Drag ist dann auf Mehrpartikelsysteme mit 2 und 9 Partikeln ausgedehnt worden, um den Einfluß benachbarter Teilchen zu bestimmen. Beim Zweiteilchensystem findet man für Abstände größer als die Abschirmlänge eine Übereinstimmung mit den entsprechenden Staubparametern des Einzelteilchensystems. Wenn der Abstand der beiden Teilchen allerdings kleiner ist als die Abschirmlänge, vergrößert sich der Ion Drag, weil sich eine parallele Komponente des Ionenflusses aufbaut. Die anderen Parameter wie Ladung, Potential und vertikale Komponente des Ion Drag bleiben allerdings im wesentlichen unbeeinflußt. Für das 9-Teilchensystem wurden die Staubladungen an den verschiedenen Positionen innerhalb der Entladung bestimmt. Im Plasmavolumen und in der Vorschicht ergeben sich die gleichen Ladungen wie im Einzelteilchenfall. Das Mehrteilchensystem zeigt aber in der Randschicht eine deutliche Abweichung von den Einzelteilchenwerten. Aufgrund der Ausbildung des Ionenfokus unterhalb der Partikel der oberen Lage erhöht sich der Ionenfluß auf die Partikel der unteren Lagen, und damit erniedrigt sich deren Ladung dramatisch.

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Metadaten
Author: Venkata Ramana Ikkurthi
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000731-1
Title Additional (German):Kinetische Simulationen Staubiger Plasmen
Advisor:Prof. Dr. Andre Melzer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2009/12/16
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2009/12/14
Release Date:2009/12/16
Tag:ionenwind
P3M, Particle-in-cell, dust charge, ion drag
GND Keyword:Computersimulation, Hochfrequenzplasma, Komplexes Plasma, Molekulardynamik, Monte-Carlo-Simulation, 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) / 52.65.-y Plasma simulation / 52.65.Rr Particle-in-cell method
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) / 52.65.-y Plasma simulation / 52.65.Yy Molecular dynamics methods