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Dynamic Structures in Expanding Plasmas

  • The present thesis deals with dynamic structures that form during the expansion of plasma into an environment of much lower plasma density. The electron expansion, driven by their pressure, occurs on a much faster time scale than the ion expansion, owed to their mobility. The high inertia of the ions causes the generation of an ambipolar electric field that decelerates the escaping electrons while accelerating the ions. The ambipolar boundary propagates outwards and forms a plasma density front. For a small density differences, the propagation of the front can be described with the linear ansatz for ion acoustic waves. For a large density differences, experiments have shown that the propagation velocity of such a front is still related to the ion sound velocity. However, the reported proportionality factors are scattered over a wide range of values, depending on the considered initial and boundary conditions. In this thesis, the dynamics during plasma expansion are studied with the use of experiments and a versatile particle-in-cell simulation. The experimental investigations are performed in the linear helicon device Piglet. The experiment features a fast valve, which is used to shape the neutral gas density profile. During the pulsed rf-discharges, plasma is generated in the source region and expands collisionless into the expansion chamber. The computer simulation is tailored very close to the experiment and provides a deeper insight in the particle kinetics. The experimental results show the existence of a propagating ion front. Its velocity is typically supersonic and depends on the density ratio of the two plasmas. The ion front features a strong electric field. The front can have similar properties to a double layer is not necessarily a double layer by definition. The computer simulation reveals that the propagating electric field repels the downstream ambient ions. These ions form a stream with velocities up to twice as high as the front velocity. The observed ion density peak is due to the accumulation of the repelled ions and is located at their turning point. The ion front formation depends strongly on the initial ion density profile and is part of a wave-breaking phenomenon. The observed front is followed by a plateau of little plasma density variation. This could be confirmed for the expansion experiment by a comparison with virtual diagnostics in the computer simulation. The plateau has a plasma density determined by the ratio between the high and low plasma density. It consists of streaming ions that have been accelerated in the edge of the main plasma. The presented results confirm and extend findings obtained by independent numerical models and simulations.
  • Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dynamischen Strukturen, die sich während der Expansion von Plasmen in eine Umgebung mit viel niedrigerer Plasmadichte bilden. Die durch eigenen Druck getriebene Expansion der Elektronen verläuft aufgrund ihrer höheren Mobilität auf einer viel schnelleren Zeitskala als die Expansion der Ionen. Die hohe Trägheit der Ionen bewirkt die Erzeugung eines elektrischen Feldes, das ambipolar die austretenden Elektronen abbremst, während es die Ionen beschleunigt. Die ambipolare Front breitet sich nach außen aus und bildet eine Plasmadichtefront. Für kleine Dichteunterschiede an der Front, kann ihre Ausbreitung dem linearen Ansatz für die Ionenschallwellen beschrieben. Für große Dichteunterschiede haben Versuche gezeigt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit zwar mit der Ionenschallgeschwindigkeit zusammen hängt, jedoch mit einem, je nach Anfangs- und Randbedingungen, über einen weiten Bereich von Werten gestreuten Proportionalitätsfaktoren. In dieser Arbeit wird die Dynamik der Plasmaexpansions mit Hilfe von Experimenten und einer vielseitigen Particel-in-Cell-Simulation untersucht. Die experimentellen Untersuchungen sind in der linearen Helikon Anlage "Piglet" durchgeführt worden. Im Experiment wurde ein schnelles Ventil verwendet, um ein entsprechendes Neutralgasdichteprofil zu erzeugen, welches die Plasmaerzeugung mittels gepulster Hochfrequenzentladung im Quellbereich ermöglicht und dennoch Stoßfreiheit in der Expansionskammer gewährleistet. Die Computersimulation ist auf das Experiment zugeschnitten und erlaubt eine tiefere Einsicht in die Teilchenkinetik. Die experimentellen Ergebnisse zeigen die Existenz einer propagierenden Ionenfront. Ihre Geschwindigkeit ist typischerweise schneller als die Ionenschallgeschwindigkeit und hängt von dem Dichteverhältnis der beiden Plasmen ab. Die Ionenfront kennzeichnet ein starkes elektrisches Feld. Die Front kann ähnliche Eigenschaften haben wie eine Doppelschicht, ist jedoch nicht notwendigerweise eine Doppelschicht per Definition. Die Computersimulation zeigt, dass das sich ausbreitende elektrische Feld Ionen des umgebenden Plasmas zurückwirft. Diese Ionen bilden einen Strom mit Geschwindigkeiten bis zu doppelt so hoch wie die Frontgeschwindigkeit. Das beobachtete lokale Ionendichtemaximum an der Front entsteht aufgrund der Ansammlung der reflektierten Ionen und ist lokalisiert an deren Wendepunkt. Die Bildung der Ionenfront hängt stark vom anfänglichen Ionendichteprofil ab und ist ein Teil eines Wellenbrechphänomens. Die beobachtete Front wird durch eine Plasmadichteplateau mit nur kleinen Dichteänderung gefolgt. Dies könnte für das Expansionsexperiment durch einen Vergleich mit virtuellen Diagnostiken in der Computersimulation bestätigt werden. Die Plasmadichte des Plateaus ist durch das Dichteverhältnis zwischen Haupt- und Umgebungsplasma bestimmt. Es besteht aus einem Ionenstrom, der in der Randschicht des Hauptplasma beschleunigt wurde. Die vorgestellten Ergebnisse bestätigen und erweitern Erkenntnisse unabhängiger numerischer Modelle und Simulationen.

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Metadaten
Author: Timo Schröder
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002259-2
Title Additional (German):Dynamische Strukturen in expandierenden Plasmen
Advisor:Dr. Olaf Grulke, Prof. Dr. Thomas Klinger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2015/06/11
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2015/05/13
Release Date:2015/06/11
GND Keyword:Dynamik, Expansion, Plasma, Plasmadiagnostik, Plasmaphysik
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) / 52.25.-b Plasma properties (for chemical reactions in plasma, see 82.33.Xj) / 52.25.Ya Neutrals in plasmas
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) / 52.59.-f Intense particle beams and radiation sources (see also 29.25.-t Particle sources and targets, and 29.27.-a Beams in particle accelerators, in instrumentation for elementary-particle and nuclear physics) / 52.59.Dk Magneto-plasma accelerated plasmas
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) / 52.59.-f Intense particle beams and radiation sources (see also 29.25.-t Particle sources and targets, and 29.27.-a Beams in particle accelerators, in instrumentation for elementary-particle and nuclear physics) / 52.59.Fn Multistage accelerated heavy-ion beams
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.Ds Electric and magnetic measurements
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) / 52.75.-d Plasma devices (for ion sources, see 29.25.Lg, Ni; for plasma sources, see 52.50.Dg) / 52.75.Di Ion and plasma propulsion