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Infrared Analysis of Dusty Plasmas and Finite Dust Clusters Under Strong Magnetic Fields

  • This thesis discusses three publications in the field of dusty plasmas. In the first section, measurements of the ir absorption of silica nanoparticles confined in an argon radiofrequency plasma discharge using a Fourier transform infrared spectrometer have been performed. By varying the gas pressure of the discharge and duty cycle of the applied radiofrequency voltage, a shift of the absorption peak of silica is observed. This shift is attributed to charge-dependent absorption features of silica. The charge-dependent shift has been calculated for silica particles, and from comparisons with the experiment the particle charge has been retrieved using the infrared phonon resonance shift method. With the two different approaches of changing the gas pressure and altering the duty cycle, one is able to deduce a relative change of the particle charge with pressure variations and an absolute estimate of the charge with the duty cycle. In the second part, infrared (IR) absorption spectra of melamine-formaldehyde (MF) microparticles confined in an rf plasma are studied at different plasma conditions. Several absorption peaks have been analysed in dependence of plasma power and their temporal evolution. For comparison, the IR absorption spectra of heated MF microparticles without plasma exposition are used to determine the general influence of the temperature on the IR spectra. Measuring the temperature of the particles inside the plasma shows that the temperature is not the only process changing the particles' IR spectra. Chemical changes of the MF particles with increasing plasma power influence the absorption peak structure. Finally, experiments on dust clusters trapped in the sheath of a radio frequency discharge have been performed for different magnetic field strengths ranging from a few milliteslas to 5.8 T. The dynamics of the dust clusters are analyzed in terms of their normal modes. From that, various dust properties such as the kinetic temperature, the dust charge, and the screening length are derived. It is found that the kinetic temperature of the cluster rises with the magnetic field, whereas the dust charge nearly remains constant. The screening length increases slightly at intermediate magnetic field strengths. Generally, the dust properties seem to correlate with magnetization parameters of the plasma electrons and ions, however only to a small degree.
  • In dieser Dissertation werden drei Publikationen zum Themenkomplex staubiger Plasmen diskutiert. Im ersten Abschnitt wurden Messungen der IR Absorption von SiO2 Nanopartikeln in einer Argon Hochfrequenz Plasmaentladung mit Hilfe eines FTIR Spektrometers durchgeführt. Durch Variation des Gasdrucks der Entladung und des Tastverhältnisses der angelegten Hochfrequenzspannung wurde eine Verschiebung des Absorptionspeaks von SiO2beobachtetet. Diese Verschiebung wurde auf ladungsabhängige Absorptionsmerkmale von SiO2zurückgeführt. Die ladungsabhängige Verschiebung wurde für SiO2 Partikel berechnet und aus dem Vergleich mit dem Experiment die Teilchenladung mit der Infrarot-Phonon-Resonance-Shift-Methode ermittelt. Mit den beiden unterschiedlichen Ansätzen, den Gasdruck zu ändern und das Tastverhältnis zu ändern, konnte eine relative Änderung der Partikelladung bei Druckschwankungen und eine absolute Änderung der Ladung mit dem Tastverhältnis abgeleitet werden. Im zweiten Teil wurden die Infrarot-(IR-) Absorptionsspektren von Melamin-Formaldehyd (MF)-Mikropartikeln, die in einem Hochfrequenz-Plasma eingeschlossen sind, bei verschiedenen Plasmabedingungen untersucht. Mehrere Absorptionspeaks wurden in Abhängigkeit von der Plasmaleistung und ihrer zeitlichen Entwicklung analysiert. Zum Vergleich werden die IR-Absorptionsspektren erhitzter MF-Mikropartikel ohne Plasmaexposition verwendet, um den allgemeinen Einfluss der Temperatur auf die IR-Spektren zu bestimmen. Die Messung der Temperatur der Partikel im Plasma zeigt, dass die Temperatur nicht der einzige Prozess ist, der die IR-Spektren der Partikel verändert. Chemische Veränderungen der MF-Partikel mit zunehmender Plasmaleistung beeinflussen die Absorptionspeakstruktur. Im letzten Abschnitt wurden Experimente an Staubclustern, die in der Randschicht einer Hochfrequenzentladung eingeschlossen sind, bei verschiedenen magnetischen Feldstärken im Bereich von wenigen Millitesla bis 5,8 T durchgeführt. Die Dynamik der Staubcluster wurde in Bezug auf ihre Normalmoden analysiert. Daraus wurden verschiedene Staubeigenschaften wie die kinetische Temperatur, die Staubladung und die Abschirmlänge abgeleitet. Es zeigte sich, dass die kinetische Temperatur des Clusters mit dem Magnetfeld ansteigt, während die Staubladung nahezu konstant bleibt. Bei mittleren magnetischen Feldstärken nimmt die Abschirmlänge geringfügig zu. Generell scheinen die Staubeigenschaften mit den Magnetisierungsparametern der Plasmaelektronen und -ionen zu korrelieren, jedoch nur in geringem Maße.

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Metadaten
Author: Harald Krüger
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-57822
Title Additional (German):Infrarot Untersuchung von Staubigen Plasmen und Finite Staubcluster unter Einfluss Starker Magnetfelder
Referee:Prof. Dr. André Melzer, Prof. Dr. Jan Benedikt
Advisor:Prof. Dr. André Melzer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2021
Date of first Publication:2021/12/07
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2021/12/01
Release Date:2021/12/07
Tag:charge measurement; dusty plasma; ftir spectroscopy; magnetic fields
GND Keyword:Komplexes Plasma
Page Number:78
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik