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In der vorliegenden Arbeit wurden die Wechselwirkungen zwischen den reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) und den Lipiden, die das Grundgerüst der Zellmembran bilden, sowie die daraus resultierenden chemischen und physikalischen Veränderungen der Membran untersucht. Außerdem wurde der Schutz einer Modellmembran durch Adsorption eines Polymers untersucht. Da natürliche Zellmembrane hoch komplexe Systeme sind, in und an denen chemische und strukturelle Prozesse häufig gleichzeitig ablaufen, wurden Lipidmonoschichten und Liposomen als Modellmembranen für die Untersuchungen gewählt. Die Radikale wurden mithilfe der Fenton-Reaktion erzeugt. Um ein vollständiges Bild des Radikalangriffs auf Modellmembrane zu erhalten, war es notwendig verschiedene Untersuchungsmethoden zu verwenden. Die Lipidmonoschichten und deren Phasenumwandlungen wurden vor und nach dem Radikalangriff mithilfe des Langmuir-Troges und den damit aufgenommenen Isothermen untersucht. Die Fluoreszenz- und die Brewsterwinkel-Mikroskopie wurde genutzt, um die Veränderungen des Phasenübergangs und somit die Veränderungen der Form und des Wachstums von Lipid-Domänen (flüssig-kondensierten Phase) durch den Radikalangriff zu beobachten. Die laterale periodische Struktur und das vertikale Elektronendichteprofil der Lipidmonoschicht wurden mit der Röntgendiffraktion und Röntgenreflexion vor und nach dem Radikalangriff untersucht. Mit der Infrarot-Reflexion-Absorption Spektroskopie (IRRAS) können Aussagen über die chemische Veränderungen der Lipide nach dem Radikalangriff getroffen werden. Die Liposomen wurden mit Differenzkalorimetrie untersucht, um die Verschiebung der Phasenübergangstemperatur durch den Radikalangriff zu beobachten. Der Radikalangriff auf Liposomen wurde mit Fluorenzmikroskopie verfolgt. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Wechselwirkung von ROS mit zwitterionisch geladenen Lipiden untersucht. Die Modellmembranen bestanden aus Phosphatidylcholinen. Fasst man alle Ergebnisse der Untersuchungen zusammen, führt dies zum folgenden Resultat: Die Radikale reagieren bevorzugt mit der Kopfgruppe der zwitterionischen Phosphatidylcholinen. Es entstehen negativ geladene Phospholipide mit einer kleineren Kopfgruppe. Die Alkylketten bleiben nach dem Radikalangriff unverändert. Wie die Isothermen und die Brewsterwinkel-Mikroskopie bei Monoschichten sowie die Thermogramme bei Liposomen zeigen, hat die Reaktion keinen erkennbaren Einfluss auf das thermodynamische Verhalten. Erst durch Zugabe bzw. bei Vorhandensein von „freien“ Eisen-Ionen wird die Veränderung der Phosphocholine durch die Radikale beobachtbar. Die „freien“ Eisen-Ionen binden an die negativ geladenen Phospholipde. Dies führt im Fall von DPPC (1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) Monoschichten zu einer irreversiblen Verfestigung. Weiterhin kommt es zur Abnahme der molekularen Fläche in der flüssig-kondensierten Phase. Im Fall von DMPC (1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) Liposomen führt der Radikalangriff, bei Vorhandensein von „freien“ Eisen-Ionen, ebenfalls zu einer Verfestigung. Am Ende des Radikalangriffs sind die Liposomen zerstört. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Wechselwirkung von ROS mit negativ geladenen Phospholipiden untersucht. Dabei wurde herausgefunden, dass die negative Ladung der Phospholipide nach dem Radikalangriff erhalten bleibt. Die Alkylkettenlänge bleibt konstant. Die durchgeführten IRRAS Messungen zeigen ebenfalls keine Veränderungen der Alkylketten. Aufgrund der Beobachtung, dass Eisen-Ionen negativ geladene Modellmembranen verfestigen, sollte im dritten Teil dieser Arbeit die Eisenanbindung an negativ geladene Monoschichten am Beispiel des Cardiolipin TMCL quantifiziert werden. Bei einem physiologischen pH-Wert führt eine Eisen-Ionen Konzentration im mikromolaren Bereich zu einer irreversiblen Verfestigung der Monoschicht. Der pH-Wert ist ein entscheidender Parameter. Eine irreversible Verfestigung der Monoschicht kann durch einen pH-Wert von 1,3 oder niedriger verhindert werden, wenn die Eisenkonzentration kleiner als 1000 µM ist. Bei höheren Eisenkonzentrationen tritt auch bei diesem pH-Wert eine Verfestigung ein. Im vierten Teil dieser Arbeit wurde die Wechselwirkung von ROS mit einer negativ geladenen Lipid-Monoschicht (DMPG) mit adsorbierten Polykationen (Polyethylenimin (PEI)) untersucht. Die adsorbierte Polymerschicht dient zum Schutz der Lipidmonoschicht. Der Radikalangriff wurde mit verschiedenen Fenton-Konzentrationen durchgeführt. Es war eine signifikant höhere Fenton-Konzentration als bei dem Radikalangriff auf eine DPPC Monoschicht notwendig, um Veränderungen zu induzieren.
Polyelektrolyt-Multischichten werden durch die sequentielle Adsorption von entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten auf einem festen Substrat hergestellt. Die Präparation layer-by-layer ermöglicht die Beschichtungen von Flächen im cm-Bereich mit Schichtdicken im µm-Bereich sowie einer Kontrolle der Molekülanordnung senkrecht zur Substratoberfläche im nm-Bereich. Aus diesen Eigenschaften ergeben sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Analyse der Polyelektrolyt-Adsorption bei der Präparation von Multischichten bestehend aus dem Polykation Polyallylaminhydrochlorid (PAH) und dem Polyanion Polystyrolsulfonat (PSS) bzw. Polydiallyldimethylammonium (PDADMA) und PSS. Die Untersuchung der Multischichten unter in-situ Bedingungen erfolgt mittels Ellipsometrie. Zu diesem Zweck wird ein Formalismus der ellipsometrischen Datenauswertung entwickelt, um die Messgenauigkeit bei der Untersuchung dünner, transparenter Schichten zu optimieren. Im Fall von PDADMA/PSS-Multischichten verläuft das Schichtwachstum nicht-linear mit der Anzahl an adsorbierten Doppelschichten. Der nicht-lineare Verlauf wird mit der unterschiedlichen Linienladungsdichte zwischen einer PDADMA- und einer PSS-Kette in Verbindung gebracht. Die quantitative Analyse der ellipsometrischen in-situ-Messungen ergibt, dass alle untersuchten PDADMA/PSS-Multischichten (präpariert aus 0,1 mol/L NaCl-Lösung bei Raumtemperatur) mindestens zwei verschiedene Wachstumsregimes aufweisen: Erst wächst die Schichtdicke parabolisch mit der Anzahl an deponierten Polyanion/Polykation-Schichtpaaren, nach Nlin Schichtpaaren erfolgt ein Übergang in lineares Schichtwachstum, charakterisiert durch eine konstante Dicke pro Schichtpaar dBL. Das parabolische Wachstumsregime lässt sich mit einer Asymmetrie im Adsorptionsverhalten von PDADMA und PSS erklären: Während die adsorbierenden PSS-Moleküle die Oberflächenladung lediglich neutralisieren, führt ein PDADMA-Beschichtungsschritt zu einer Ladungsüberkompensation und hinterlässt eine effektiv positiv geladene Oberfläche. Die deponierte Stoffmenge nimmt mit jeder PDADMA/PSS-Doppelschicht zu, bis nach Nlin Doppelschichten die adsorbierenden PSS-Ketten nicht mehr imstande sind alle positiven Oberflächenladungen zu neutralisieren. Die beiden Wachstumsparameter Nlin und dBL hängen in einem linearen Zusammenhang voneinander ab, da beide einem gemeinsamen Mechanismus folgen: Je mehr Doppelschichten ein parabolisches Wachstumsverhalten zeigen (Nlin), desto höher ist die Oberflächenbelegungsdichte am Ende des parabolischen Wachstumsregimes und desto größer die Doppelschichtdicke dBL. Das Adsorptionsverhalten von PDADMA- und PSS-Ketten wird analysiert, indem das Molekulargewicht Mw beider Polyelektrolyte systematisch variiert wird (zwischen Mw(PDADMA) = 24 kDa ... 322 kDa sowie Mw(PSS) = 8,6 kDa ... 168 kDa). Die Flächenbelegungsdichte pro Doppelschicht wächst proportional zu Mw(PDADMA) an, bis ab dem Schwellwert Mw(PDADMA) = 80 kDa eine Sättigung eintritt und das Schichtwachstum unabhängig vom Wert des PDADMA-Molekulargewichts wird (Nlin = 15 Doppelschichten und dBL = (12,3 ± 1,3) nm). Die Daten legen nahe, dass unterhalb des PDADMA-Schwellwerts lediglich ein Teil einer PDADMA-Kette auf der PSS-terminierten Multischicht adsorbiert und der restliche Teil der adsorbierten Kette in Lösung ragt. Oberhalb des PDADMA-Schwellwertes adsorbiert mindestens noch ein zweiter Abschnitt der Kette und es ragt mindestens ein loop in Lösung. Dies führt zu einer konstanten Gleichgewichtsdicke der Monoschicht unabhängig vom Molekulargewicht. Unterschreitet das PSS-Molekulargewicht den Schwellwert Mw(PSS) = 25 kDa, so beobachtet man den gegenteiligen Effekt: beide Wachstumsparameter Nlin und dBL nehmen deutlich zu. Die größten gemessene Werte (unter Verwendung von 8,6 kDa PSS) lauten Nlin = 33 und dBL = 28,7 nm. Neutronenreflektionsmessungen zeigen, dass dieser Effekt mit der Diffusion der kurzen PSS-Ketten innerhalb der Multischicht einhergeht. Die Ausdehnung der Diffusionszone von 8,6 kDa PSS beträgt 80 nm und nimmt bis zum Erreichen des PSS-Schwellwertes monoton mit Mw(PSS) ab. Im Gegensatz dazu bilden PSS-Ketten mit einem Molekulargewicht oberhalb des Schwellwertes klar lokalisierte, lateral homogene Schichten (mit einer Grenzflächenunschärfe von 2 ... 4,6 nm). Entgegen der intuitiven Erwartung hat eine höhere Adsorptionszeit keinen Einfluss auf die Diffusionszone. Der limitierende Faktor ist die Diffusionszone selbst. In Übereinstimmung mit der theoretischen Erwartung führt die Diffusion von kurzen PSS-Ketten während der Multischicht-Präparation zu einem exponentiellen Wachstum der PDADMA/PSS-Multischichten, sobald Mw(PSS) < 25 kDa. In diesem Fall durchläuft das Schichtwachstum nacheinander erst ein exponentielles, dann ein parabolisches und schließlich ein lineares Regime.
Synopsis
C+60 has been proposed to be responsible for two of the diffuse interstellar bands (DIBs), the absorption features observed in the visible-to-near-infrared spectra of the interstellar medium. However, a confirmation requires laboratory gas-phase spectra, which are so far not available. We plan to develop a novel spectroscopy technique that will allow us to obtain the first gas-phase spectra of C+60, and that will be applicable to other complex organic molecules such as polycyclic aromatic hydrocarbons. The current status of the experimental setup, the ideas behind the measurement scheme and the preparatory work toward its implementation will be presented.
The realistic description of the physical processes in quantum optical systems requires careful investigation of the interplay between quantum dissipation and entanglement generation. In this thesis, we have considered from a microscopical perspective the entanglement generation in semiconductor microcavities at short times, the dissipative evolution of the quantum harmonic oscillator towards a stationary state, and the nonclassical properties of the asymptotic states of different photonic systems. In our description of two-dimensional semiconductor microcavities we showed that two different pump configurations can be used to stimulate parametric scattering processes between polaritons that lead to the generation of internal polariton entanglement. A moving polariton induces an ultrafast electric polarisation as a source of light that serves as a probe of the internal entanglement properties. The identification of the nonclassical correlations of the emitted photons is based on entanglement witnesses that can also be used for the quantification of entanglement, e.g., in terms of the Schmidt number. The simultaneous creation of multiple branch entangled photon pairs renders it possible to generate an arbitrary number of entangled qubit states. By adjusting the number of pump beams and their spectral properties, one can optimize the Bell-type correlations within one ore more of those entangled qubits. Quantum dissipation can be studied in a microscopic setting with the well known model of a central oscillator coupled linearly to a bath of harmonic oscillators. We showed that equilibration of the central oscillator is the generic behaviour, which is prevented only in situations in which the classical oscillator equation of motion possesses undamped oscillatory solutions. Because of its localised spectral function, the infinite linear harmonic chain is an example for this behaviour. Thermalisation of the central oscillator depends on additional conditions. Equipartition of kinetic and potential energies requires the weak damping limit but is independent on the initial condition. The initial bath preparation enters the asymptotic temperature. Essential for the thermalisation of several oscillators is, that the asymptotic temperature is independent of the central oscillator frequency, which is fulfilled if the initial bath energy distribution matches that of a thermal state. Nevertheless, because this condition involves the sum of kinetic and potential energy, full thermalisation is possible in environments with nonthermal individual energy distributions, even in those far from thermal equilibrium. We showed, that even in the absence of full thermalisation the fluctuations of the central oscillator follow a generalised fluctuation dissipation theorem that reduces to the well known thermal result whenever the central oscillator thermalises in the strict sense. Photonic systems such as two-level emitters in a cavity or semiconductor microcavities are employed in quantum optics applications. The realistic theoretical description of the physical processes requires the use of methods from quantum optics as well as fromthe field of quantum dissipation. Our focus was on the correct theoretical description of the emission from systems with strong coupling. The analysis of the light generated by emitters in a cavity reveals a non-trivial dependence of the photon statistics on the light-matter coupling and temperature. Clearly identifiable parameters regimes with sub- and super-Poissonian photon statistics appear at strong and ultrastrong coupling, and lie immediately next to each other. We provided an approximate rule to relate the emission characteristics for a single emitter to those obtained for few emitters under an appropriate scaling of the emitter-cavity coupling. In accordance with this rule, the generation of noncassical light is easier with more emitters. The outright failure of the quantum optical master equation at predicting any of the features observed in the emission statistics shows that using the correct master equation is essential in all situations. Including internal dissipation channels we showed that a continuously driven semiconductor microcavity generates entangled light even at infinitely large times. The entanglement generation is thus robust against decoherence under realistic experimental conditions. Because the pair correlations between polaritons can sustain over long times and distances in these solid-state devices, a microcavity is a highly efficient source of entangled light and therefore well suited for quantum optics applications.
The aim of this thesis is to concentrate on the investigation of these ROS&RNS composition distribution and their production pathways in the gas phase produced by a plasma jet. By understanding the physical mechanisms behind the generation of the ROS&RNS a precise tuning and design of the composition distribution in the gas phase can be achieved. One crucial physical parameter is the dissipated power inside the plasma. Only if this parameter is known a meaningful comparison of different feed gas settings is possible. Therefore, a concept for measuring the dissipated power inside the plasma for the modified micro-scaled atmospheric pressure plasma jet( µAPPJ) is designed. Additionally, due to achievements within this thesis it is now possible to ignite a homogeneous discharge in argon and helium within the geometry of the µAPPJ. The used feed gas is a determining factor concerning the electron energy distribution function and consequently influencing the production mechanism of the ROS&RNS. First of all, the electrical characterisation of the modified µAPPJ was performed including the alpha-to-gamma transition. It is shown that the alpha-to-gamma transition power is increasing with increasing frequency. For the first time it is now feasible to investigate the influence of the dissipated power on the neutral gas temperature, the metastable atom densities and the ROS&RNS production for the modified µAPPJ with argon and helium as feed gas. Due to the possibility of changing the feed gas and controlling the dissipated power a fundamental insight into the production mechanism of the ROS&RNS generated by the plasma jet is achieved. With rising dissipated power the temperature and the metastable densities as well as the ozone and nitrogen dioxide concentrations are increasing. By adding molecular oxygen and nitrogen to the feed gas of a plasma jet the ROS&RNS composition can be tuned. However, also the dissipated power is changed by the small amount of admixtures. Due to the developed dissipated power measurements within this thesis it was possible to disentangle the influence of the admixture on the power and on the ROS&RNS production. If the dissipated power is fixed for the µAPPJ with argon and helium feed gas, respectively, the highest amount of ozone was measured with oxygen admixture in an argon discharge, the highest amount of dinitrogen pentoxide with nitrogen admixture in an argon discharge and the highest amount of nitrogen dioxide with nitrogen admixture in a helium discharge. Beyond the influence of the dissipated power and the molecular admixture on the ROS&RNS production the feed gas temperature is a crucial parameter for the corresponding chemical reactions. By changing this parameter the distribution of ozone and nitrogen dioxide can be tuned precisely in such a way that with increasing temperature the ozone density goes down and the nitrogen dioxide density rises. Another determinant for the ROS&RNS composition produced by an atmospheric pressure plasma jet is the influence of ambient air. If the ambient air is changing from pure nitrogen to pure oxygen atmosphere the ozone density produced by the plasma jet is increasing. For the same conditions the nitrogen dioxide has a maximum at an oxygen-to-nitrogen ratio of 1:1. To avoid the influence of the ambient air on the reactive species production the afterglow of the µAPPJ was prolonged with a glass tube. By increasing the amount of molecular admixtures to the feed gas with each in equal quantities a totally different ROS&RNS composition can be obtained compared without the glass tube. It figures out that for small molecular admixtures the reactive species composition is nitrogen dominated and for higher admixtures it is oxygen dominated. Consequently, by shielding the ambient air from the active effluent and by admixing molecular oxygen and nitrogen the ROS&RNS composition can be designed.
The current work is focused on the study of two surface modification plasma processes, (i) the active screen plasma nitriding (ASPN) and nitrocarburizing (ASPNC) for the hardening of ferrous surfaces and (ii) the microwave plasma assisted chemical vapor deposition (MW-PACVD) for the synthesis of single crystal and doped diamond. Conventional and active screen plasma nitriding processes have been investigated in a cylindrical, industrial scale ASPN reactor with a volume of about 1 m3, using low-pressure pulsed dc H2-N2 plasmas with admixtures of CH4 or CO2. The experiments were carried out (i) with the plasma at an internal model probe, (ii) with the plasma at the active screen (floated model probe) and (iii) with the plasma at the active screen and an additional plasma at the biased model probe. For deeper insights in ASPN and ASPNC processes, a laboratory scale plasma nitriding monitoring reactor, PLANIMOR, has been constructed. The main feature of this reactor is the linear configuration of the electrode setup combined with a tubular glass vessel, overcoming the experimental disadvantages of cylindrical laboratory scale ASPN reactors. With the help of infrared laser absorption spectroscopy (IRLAS) the rotational temperature of the stable molecules in the gas phase and the concentrations of the precursor, CH4, and the reaction products (NH3, HCN, C2H2, C2H4, CO, CH3) could be determined in both reactors, depending on the plasma power, the gas mixture, the plasma at the model probe and the admixture of CH4. Furthermore, the admixture of CO2 as the carbon containing precursor has been studied in the ASPN reactor leading to an additional reaction product H2O. The concentration of the molecular species has been found being in a range of 1012 to 1016 molecules cm-3. Also optical emission spectroscopy (OES) has been applied during the studies for analyzing the emission of the plasmas in the nitriding and nitrocarburizing processes. A similar behavior of the plasma chemistry in PLANIMOR comparing to that in the ASPN reactor has been found. Beside the plasma chemical investigations, both reactors have been used for the treatment of C15 steel samples. These samples have been analyzed with the help of GDOES resulting in the elements profile of the treated surfaces. It has been found that samples treated in PLANIMOR reach comparable nitriding results as samples treated in the ASPN reactor. Another focus of interest during the investigations about plasma nitrocarburizing has been the application of a carbon containing screen electrode as carbon source. For this purpose the carbon containing precursor and the steel screen have been substituted by a meshed carbon electrode, acting as the active screen. This change of the setup leads to a decrease of the NH3 production by a factor of 2.5 and an increase of the concentrations of HCN by a factor of 30 and of C2H2 by a factor of 70. The investigations of MW-PACVD processes used for diamond layer deposition have been carried out in a jacketed stainless steel reactor (JR), dedicated to the deposition of single crystalline diamond under high pressure and plasma power conditions. Using H2-plasmas with admixtures of CH4 and B2H6, the experiments were carried out in order to analyze the dependence of the plasma chemistry on several parameters, such as plasma power, pressure and gas mixture, in a wide pressure (p = 25…270 mbar) and power range (P = 0.6…4 kW). Using IRLAS the concentrations of six molecular species (B2H6, CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CH3) have been monitored. With the help of OES the concentration of atomic boron could be determined. The concentrations of the detected molecular and atomic species were found to be in a range of 1010 to 1017 cm-3. With the help of the line-ratio-method the rotational temperature of the stable molecules has been determined. The temperature increased with pressure and power from 340 to 425 K. Using the Doppler broadening of the absorption line of CH3 at ν = 612,413 cm-1, the gas temperature has found to be Tg = (2000 ± 200) K under lower pressure and power conditions. For the H2-CH4 gas mixture, the experimental obtained molecular densities have been compared to those of a 1D-radial thermochemical model. The calculated radial densities have been integrated axially. For the same range the chemical processes in JR have been compared with those in a bell-jar (BJ) reactor. The hydrocarbon chemistry in JR has found to be similar to that in a BJ reactor.
Im ersten Teil der Arbeit wird der erfolgreiche Aufbau einer Diagnostik zur quantitativen Bestimmung von Oberflächenladungsdichten beschrieben. Das Messprinzip bedient sich des elektro-optischen Pockelseffekts eines BSO-Kristalls, der in der Entladungszelle als Dielektrikum eingesetzt ist. Diese Methode arbeitet zeitlich und lateral aufgelöst, was die Untersuchung der Dynamik von Oberflächenladungen auf drei verschiedenen Zeitskalen ermöglicht. Die erste Zeitskala liegt in der Größenordnung von einigen 100 ns. Damit kann erstmals die Deposition von elektrischer Ladung auf einer dielektrischen Oberfläche während eines Entladungsdurchbruchs beobachtet werden. Die Deposition beginnt im Zentrum eines zuvor deponierten Ladungsspots. Die Polarität der neudeponierten Ladung ist der des ursprünglichen Ladungsspots entgegengesetzt. Die Folge ist, dass die absolute Ladungsdichte im Zentrum im Verlauf einiger hundert Nanosekunden kleiner wird als in den Randbereichen. Der Umladungsprozess wird so lange fortgesetzt, bis das elektrische Feld der neu deponierten Ladungen dem äußeren Feld so stark entgegenwirkt, dass die Spannung zur Aufrechterhaltung der Entladung unterschritten wird und die Entladung erlischt. Die zweite untersuchte Zeitskala liegt in der Größenordnung der Periodendauer der externen Spannung. Im Nulldurchgang der Spannung liegen zeitlich stationäre Ladungsdichteverteilungen auf dem Dielektrikum vor. Die Geometrie eines mittleren Ladungsspots wird in Abhängigkeit der anliegenden Spannungen und des Gasdrucks untersucht. Einerseits ist der Spotradius abhängig von den Ionisationsprozessen im Volumen, weil die Dichte der Raumladungen die Stärke des Elektronenfokus in das Innere der Entladung steuert. Andererseits wird die Spotbildung durch eine laterale Drift von Ladungsträgern kurz vor der Oberfläche aufgrund des elektrischen Feldes deponierter Ladungsträger beeinflusst. Die dritte untersuchte Zeitskala liegt in einer Größenordnung von Sekunden. Im Fall einer initial homogenen Oberflächenladungsverteilung nimmt die mittlere Ladungsdichte in einer Größenordnung von Sekunden monoton ab. Dieser Prozess stellt einen Ladungsabbau dar, dessen zeitliches Verhalten durch zwei überlagerte Exponentialfunktionen beschreiben ließ. Dadurch werden zwei Ladungsträgerpopulationen im BSO angenommen, die verschieden abgebaut werden. Im Fall einer initial inhomogenen Ladungsdichteverteilung wird ein Transport elektrischer Ladung auf der BSO-Oberfläche in einer Größenordnung von Sekunden beobachtet. Es wird weiterhin erstmals die durch einen Atmosphärendruck-Plasmajet deponierten Ladungen auf BSO zeitaufgelöst gemessen. Die zeitliche Entwicklung der Oberflächenladungen kann mit der Messung des elektrischen Stroms an einer der Ringelektroden des Jets korreliert werden. Dadurch wird geschlossen, dass der Ladungsaustauch nicht direkt durch einen Bullet verursacht wird. Er erzeugt stattdessen einen elektrisch leitfähigen Kanal zwischen der Düse des Jets zur BSO-Oberfläche. Infolgedessen kann Ladung, die sich auf der Innenseite der Jetkapillare befindet, auf den BSO-Kristall transportiert werden. Im zweiten Teil der Arbeit werden Kenngrößen entwickelt, die den Ordnungszustand einer aus Einzelobjekten zusammengesetzten Entladungsstruktur quantitativ beschreiben. Die Kenngrößen werten dabei die laterale Leuchtdichteverteilung der Entladungsemisssion, u.a. auf Basis der Tripel-Korrelationsfunktion. Dabei werden zwei separate Bifurkationsspannungen zwischen einer hexagonalen und einer ungeordneten Anordnung beobachtet: Bei der Verringerung der Spannung wird zunächst der Bifurkationspunkt der azimutalen Ordnung durchlaufen und anschließend der Bifurkationspunkt der radialen Ordnung. Die Systeme gehen jeweils in einen Zustand geringerer Ordnung über. Die Ursache des Ordnungsverlusts ist das zunehmende Fehlen von Entladungsspots, was im Mittel zu einer geringeren Wechselwirkung der Spots untereinander führt und das System an Freiheitsgraden gewinnt. Im dritten Teil dieser Arbeit wird erstmals ein Ansatz verfolgt, der die Steuerung lateral strukturierter Entladungen ermöglicht. Dafür wurde ein Aufbau konstruiert, bei dem ein gekühlter Halbleiter als Dielektrikum in der Entladungszelle dient. Dessen externe Beleuchtung führt bei einer anliegenden Spannung zu einer Änderung des Spannungsteilerverhältnisses der kapazitiven Elemente und schließlich zu einer lokalen Erhöhung der Spannung über dem Entladungsraum. Die Größe und Leuchtintensität der durch die Beleuchtung gezündeten Entladung ist stark abhängig von der beleuchteten Fläche, der Leistungsdichte der Beleuchtung und der anliegenden Spannung.
In the last decade a new domain has developed in plasma physics: plasma medicine. Despite the successes that have already been achieved in this exciting new field, the interaction of plasmas with “biological materials” is not yet fully understood. Further investigations in particular with respect to the properties of the applied plasmas sources are therefore essential in order to decode this complex interaction process. Currently, a great variety of different discharge types are used in plasma medical investigation which are generally are operated in noble gases like helium and argon or with dry air. In the present work, the main focuses is on the diagnostics of reactive oxygen and nitrogen species (RONS) resulting from the plasma chemistry of an argon radio-frequency (RF) atmospheric pressure plasma jet (APPJ) and its interaction with the ambient atmosphere. To conduct this study, a commercially available plasma device, so-called kinpen is used due to its technical development maturity and its accessibility on the market. As a method of choice, diagnostic techniques are based on optical spectroscopy known to be a reliable tool to investigate plasmas. Consequently, three complementary optical laser diagnostics, namely quantum cascade laser absorption spectroscopy (QCLAS), laser induced fluorescence (LIF) and planar single shot LIF (PLIF), have been successfully applied to the plasma jet itself or its effluent. All of these diagnostics offer a high species selectivity and an excellent spatial and temporal resolution. They are used in this work for i) the characterization of the plasma chemical dynamics with respect to the generation of biological active RONS – in particular for the case of N2 and O2 admixtures. ii) the measurement of the NO density profile in the plasma effluent iii) the investigation of the flow characteristics of the neutral gas component (laminar vs. turbulent) and its influence on the plasma chemistry. Numerical analysis have been carried out in collaboration with PLASMANT (University of Antwerp) via kinetic simulations of the entire plasma chemistry. Expectingly, atomic oxygen (O) and nitric oxide (NO) turn out to be precursors of ozone (O3) and nitric dioxide (NO2). However, it was intriguing to unveil that atomic oxygen and nitrogen metastable (N2(A)) play together a key part --as intermediate species-- in the generation of more stable RONS, e.g. NO. The absolute density of NO space resolved was measured by LIF and absolutely calibrated molecular beam mass spectrometer. LIF was used to determine relative density of OH radical in the plasma plume. 2D-LIF was used to investigate the gas flow pattern with OH as a flow tracer. The results are discussed in details and show different operating mode of the jet, e.g. laminar or turbulent and that the plasma influences these regimes. The first detection and relative measurement by LIF of nitrogen metastable (N2(A)) produced by an argon APPJ is also shortly reported in this work. The outcome of this thesis will bring new insights in the field of argon APPJs chemistry and its interaction with the ambient atmosphere which can be valuable to support plasma modelling and to consider for the applications in plasma medicine.
The collisionless tearing mode is investigated by means of the delta-f PIC code EUTERPE solving the gyrokinetic equation. In this thesis the first simulations of electromagnetic non-ideal MHD modes in a slab geometry with EUTERPE are presented. Linear simulations are carried out in the cases of vanishing and finite temperature gradients. Both cases are benchmarked using a shooting method showing that EUTERPE simulates the linearly unstable tearing mode to a very high accuracy. In the case of finite diamagnetic effects and values of the linear stability parameter Delta of order unity analytic predictions of the linear dispersion relation are compared with simulation results. The comparison validates the analytic results in this parameter range. Nonlinear single-mode simulations are performed in the small- to medium-Delta range measuring the dependency of the saturated island half width on the equilibrium current width. The results are compared with an analytic prediction obtained with a kinetic electromagnetic model. In this thesis the first simulation results in the regime of fast nonlinear reconnection~(medium- to high-Delta range) are presented using the standard gyrokinetic equation. In this regime a nonlinear critical threshold has been found dividing the saturated mode from the super-exponential phase for medium-Delta values. This critical threshold has been proven to occur in two slab equilibria frequently used for reconnection scenarios. Either changing the width of the equilibrium current or the wave number of the most unstable mode makes the threshold apparent. Extensive parameter studies including the variation of the domain extensions as well as the equilibrium current width are dedicated to a comprehensive overview of the critical threshold in a wide range of parameters. Additionally, a second critical threshold for high-Delta equilibria has been observed. A detailed comparison between a compressible gyrofluid code and EUTERPE is carried out. The two models are compared with each other in the linear regime by measuring growth rates over wave numbers of the most unstable mode for two setups of parameters. Analytical scaling predictions of the dispersion relation relevant to the low-Delta regime are discussed. Employing nonlinear simulations of both codes the saturated island half width and oscillation frequency of the magnetic islands are compared in the small-Delta range. Both models agree very well in the limit of marginal instability and differ slightly with decreasing wave vector. Recently, the full polarisation response in the quasi-neutrality equation was implemented in EUTERPE using the Padé approximation of the full gyrokinetic polarisation term. Linear simulation results including finite ratios of ion to electron temperature are benchmarked with the dispersion relation obtained from a hybrid model. Finite temperature effects influence the saturated island width slightly with increasing ion to electron temperature ratio which has been verified by both models.