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The present experimental work investigates plasma turbulence in the edge region of magnetized high-temperature plasmas. A main topic is the turbulent dynamics parallel to the magnetic field, where hitherto only a small data basis existed, especially for very long scale lengths in the order of ten of meters. A second point of special interest is the coupling of the dynamics parallel and perpendicular to the magnetic field. This anisotropic turbulent dynamics is investigated by two different approaches. Firstly, spatially and temporally high-resolution measurements of fluctuating plasma parameters are investigated by means of two-point correlation analysis. Secondly, the propagation of signals externally imposed into the turbulent plasma background is studied. For both approaches, Langmuir probe arrays were utilized for diagnostic purposes. The main findings can be summarized as follows: Greatly elongated fluctuation structures exist in plasma edge turbulence. The structures are aligned along the confining magnetic field (k|| = 0). The correlation degree of fluctuations for a short connection length of 0.75m is greater than 80%. For much longer connection lengths of 23m and 66m, the correlation degree is reduced to approximately 40%. A conceptual interpretation of these observations is the coexistence of two different fluctuation components. One component has a correlation length parallel to the magnetic field below 20m and the other component a correlation length greater than 70m. Sine signals in the frequency range 1-100 kHz were injected into the turbulent plasma background. The propagation parallel and perpendicular to the magnetic field of the signals was studied. In poloidal direction, an asymmetry is observed, that can be explained by a copropagation of the signal with the background E × B-rotation of the plasma. The signal propagation parallel to the magnetic field shows no such asymmetry. As an advanced approach, spatio-temporal wave patters were injected into the edge plasma. The waves launched that way can be seen as test waves' in a turbulent background. The coupling strength of the imposed wave patterns to the background turbulence relies on the match of the imposed waves to the dynamics of turbulent structures. If the propagation direction of the imposed waves is parallel to the propagation direction of the background plasma, improved coupling is observed. This finding underlines the importance of the background plasma rotation for future attempts of controlling the plasma edge turbulence. Further optimization of frequency and wave vector of the imposed waves is probably a promising approach for achieving a significant and systematic influence of turbulence. Taking into account the present experimental state-of-the-art, for a deeper insight into the mechanism of the plasma edge turbulence of magnetized high-temperature plasmas a joint effort of numerical modeling and experimental results is a valuable approach. Such a cooperation should cover the explanation of the correlation observations as well as the experiments on signal injection into background turbulence. A quantitative comparison between the results presented in this work and a dedicated numerical drift wave simulation would be a significant step forward to a better understanding of plasma edge turbulence.
Two main aspects concerning drift wave dynamics in linear, magnetized plasma devices are addressed in the work: In part I of the thesis, drift waves are studied in a helicon plasma. The plasma parameter regime is characterized by comparably high collision frequencies and comparably high plasma-p exceeding the electron-ion mass ratio. Single Langmuir probes and a poloidal probe array are used for spatiotemporal studies of drift waves as well as for characterization of background plasma parameters. The main goals are the identification of a low-frequency instability and its major destabilization mechanisms. All experimentally observed features of the instability were found to be consistent with drift waves. A new code, based on a non-local cylindrical linear model for the drift wave dispersion, was used to gain more insight into the dominating destabilzation mechanisms, and also into dependencies of mode frequencies and growth rates on different parameters. In the experiment and in the numerical model, poloidal mode structures were found to be sheared. Part II of the thesis reports about mode-selective spatiotemporal synchronization of drift wave dynamics in a low-P plasma. Active control of the fluctuations is achieved by driving a preselected drift mode to the expense of other modes and broadband turbulence. It is demonstrated that only if a resonance between the driver signal and the drift waves in both space and time is reached, the driver has a strong influence on the drift wave dynamics. The synchronization effect is qualitatively well reproduced in a numerical simulation based on a Hasegawa-Wakatani model.
Turbulenz ist allgegenwärtig in der Natur. Ein wichtiges Charakteristikum sind Fluktuationen auf einer Vielzahl von räumlichen und zeitlichen Skalen, die sowohl in neutralen Fluiden und gasförmigen Systemen, als auch in Plasmen beobachtet werden. Obwohl der elektromagnetische Charakter von Plasmen eine erhöhte Komplexität von Plasmaturbulenz bedingt, sind die grundlegenden Eigenschaften universell. In magnetisch eingeschlossenen Plasmen führen fluktuierende Plasmaparameter zu turbulentem Transport von Plasmateilchen und Energie, der die Einschlusszeit verringert und wichtige Aspekte zukünftiger Fusionskraftwerke beeinflusst. Der intermittente Charakter dieses konvektiven Teilchenflusses ist verbunden mit turbulenten Strukturen mit großen Amplituden, auch "blobs" genannt, die radial durch das Magnetfeld propagieren. Intermittente Fluktuationen im Randplasma von Experimenten mit linearer Magnetfeldgeometrie werden ebenfalls propagierenden turbulenten Strukturen zugeschrieben. Dabei ist der Mechanismus der radialen Propagation kaum verstanden. In dieser Arbeit wird die Bildung und Propagation von turbulenten Strukturen im linear magnetisierten Helikonexperiment Vineta untersucht. Durch Messungen der Fluktuationen in der azimuthalen Ebene mit multi-dimensionalen Sonden wird gezeigt, dass turbulente Strukturen in Driftwellenturbulenz im Gebiet des maximalen Dichtegradienten entstehen. Die turbulenten Strukturen propagieren hauptsächlich azimuthal in Richtung der Hintergrund ExB-Drift, aber sie besitzen auch eine starke radiale Geschwindigkeitskomponente. Die radiale Propagation wird durch das selbstkonsistente Potential der turbulenten Struktur verursacht, dass zu einem fluktuations-induzierten radialen Transport führt. Im Plasmarand werden die turbulenten Strukturen als intermittente Dichteeruptionen mit großen Amplituden beobachtet. Ein Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit numerischen dreidimensionalen Fluid-Simulationen mit abgestimmten Geometrie- und Randbedingungen zeigt Übereinstimmung. Die Bildung der turbulenten Strukturen ist kausal mit einer quasi-kohärenten Driftmode verbunden und ihre radiale Propagation wird durch das selbstkonsistente elektrische Feld verursacht, dass aus der dreidimensionalen Dynamik resultiert. Zum Vergleich wird die Propagation von turbulenten Strukturen im Randplasma vom National Spherical Torus Experiment (NSTX) untersucht und mit theoretischen Propagationsmodellen verglichen.
The present work is the first work dealing with turbulence in the WEGA stellarator. The main object of this work is to provide a detailed characterisation of electrostatic turbulence in WEGA and to identify the underlying instability mechanism driving turbulence. The spatio-temporal structure of turbulence is studied using multiple Langmuir probes providing a sufficiently high spatial and temporal resolution. Turbulence in WEGA is dominated by drift wave dynamics. Evidence for this finding is given by several individual indicators which are typical features of drift waves. The phase shift between density and potential fluctuations is close to zero, fluctuations are mainly driven by the density gradient, and the phase velocity of turbulent structures points in the direction of the electron diamagnetic drift. The structure of turbulence is studied mainly in the plasma edge region inside the last closed flux surface. WEGA can be operated in two regimes differing in the magnetic field strength by almost one order of magnitude (57mT and 500mT, respectively). The two regimes turned out to show a strong difference in the turbulence dynamics. At 57mT large structures with a poloidal extent comparable to the machine dimensions are observed, whereas at 500mT turbulent structures are much smaller. The poloidal structure size scales nearly linearly with the inverse magnetic field strength. This scaling may be argued to be related to the drift wave dispersion scale. However, the structure size remains unchanged when the ion mass is changed by using different discharge gases. Inside the last closed flux surface the poloidal ExB drift in WEGA is negligible. The observed phase velocity is in good agreement with the electron diamagnetic drift velocity. The energy in the wavenumber-frequency spectrum is distributed in the vicinity of the drift wave dispersion relation. The three-dimensional structure is studied in detail using probes which are toroidally separated but aligned along connecting magnetic field lines. As expected for drift waves a small but finite parallel wavenumber is found. The ratio between the average parallel and perpendicular wavenumber is in the order of 10^-2. The parallel phase velocity of turbulent structures is in-between the ion sound velocity and the Alfvènvelocity. In the parallel dynamics a fundamental difference between the two operational regimes at different magnetic field strength is found. At 500mT turbulent structures can be described as an interaction of wave contributions with parallel wavefronts. At 57mT the energy in the parallel wavenumber spectrum is distributed among wavenumber components pointing both parallel and antiparallel to the magnetic field vector. In both cases turbulent structures arise preferable on the low field side of the torus. Some results on a novel field in plasma turbulence are given, i.e. the study of turbulence as a function of resonant magnetic field perturbations leading to the formation of magnetic islands. Magnetic islands in WEGA can be manipulated by external perturbation coils. A significant influence of field perturbations on the turbulence dynamics is found. A distinct local increase of the fluctuation amplitude and the associated turbulent particle flux is found in the region of magnetic islands.
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.
Electromagnetic Drift Waves
(2010)
In the rf-plasma of the linear magnetized VINETA experiment, different types of low-frequency waves are observed. The emphasis in this work is on the interaction mechanism between drift waves on the one and kinetic Alfven waves on the other hand. In the peaked density profile of the plasma column drift waves occur as modulation of the plasma density. As gradient driven instability, they draw their energy from the radial density gradients. Alfven waves as magnetic field fluctuations are stable in the present configuration. They are launched by a magnetic excitation antenna. Parallel conduction currents in the plasma are common to both wave phenoma. A B-dot probe as standard diagnostic tool is used to detect the fluctuating magnetic fields of both wave types. The challenge are the small induced voltages due to the low wave frequency. The probe design with an integrated amplifier close to the probe head takes this into acount. The developed B-dot probe is mounted to different positioning systems to characterize both wave phenomena. For Alfven waves, the dispersion relation is recorded experimentally. It is found to be in good agreement with the prediction of the Hall-MHD theory with included resistive term, accounting for the cold collisional plasma. The fluctuating magnetic field pattern is recorded with azimuthal scans. The current density is obained by Amperes law. It is concentrated in helically twisted current filaments. For the unstable drift waves, similar investigations are done with simultaneously recorded density fluctuations. In the azimuthal plane, the locations of the parallel current filaments and the fluctuating density are found to be in phase, supporting the predicted drive of parallel currents by pressure gradients. A mutual influence of the two wave types is observed in an interaction experiment. Assuming parallel currents as coupling quantity, an interpretation of the experimental findings is given based on the linear theory of drift waves.
Perspektiven und Risiken des Einsatzes eines körperwarmen elektrischen Plasmas in der Medizin
(2011)
Durch die vorgestellten Studien konnte gezeigt werden, dass Temperatureffekte und UV-Strahlung, die bei der Plasma-Gewebe-Wechselwirkung entstehen, keine Gefährdung für den Menschen darstellen. Die hohe antiseptische Wirkung des Plasmas ist offensichtlich auf die Bildung großer Mengen freier Radikale speziell an der Hautoberfläche, aber auch in den Haarfollikeln zurückzuführen. Die Tatsache, dass das Plasma in die Haarfollikel eindringen kann, stellt einen deutlichen Vorteil gegenüber der Anwendung flüssiger Antiseptika dar. Um jedoch eine effektive Antiseptik der Hautoberfläche zu erreichen, ist es notwendig, Plasma-Jet-Systeme mit einem Durchmesser des Plasmastrahls von ≥ 5 mm zu entwickeln. In diesem Fall ist zu erwarten, dass die Plasmabehandlung mindestens ähnliche Ergebnisse wie die Behandlung mit Octenisept® aufweist. Es ist wahrscheinlich, dass Temperatureffekte, UV-Strahlung und Radikalbildung Synergieeffekte in der menschlichen Haut bewirken, die die antiseptische Wirkung der freien Radikale als Einzelkomponente übersteigen. Damit kommt der Plasmatechnologie in Zukunft eine besondere Bedeutung bei der Wundbehandlung zu. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Plasmabehandlung die Penetration von Partikeln und Agentien stimuliert. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten für eine Plasmaanwendung im Bereich der Wirkstoffzufuhr in und durch die Haut. Inwieweit diese Wirkstoffe vor oder nach der Plasmabehandlung auf die Hautoberfläche aufgetragen werden müssen, ist Zielsetzung weiterer Untersuchungen. Generell kann festgestellt werden, dass es sich bei TTP um eine neue Technologie handelt, die ein hohes Potenzial für den klinischen Einsatz aufweist. Es ist zu erwarten, dass die Anwendung von TTP im medizinischen und biotechnischen Bereich in den nächsten Jahren stark zunehmen wird. Mit der vorliegenden Arbeit wurde eine wichtige Grundlage zur Risikobewertung der Anwendung von TTP in der Medizin geschaffen und ein Beitrag zur Klärung des Wirkungsmechanismus von Plasmen im Gewebe geleistet. Darüber hinaus konnte ein neues Anwendungsgebiet der Plasmabehandlung in Form der Stimulation der Penetration von topisch applizierten Substanzen aufgezeigt werden.
Plasmapolymerisation mit einem Atmosphärendruck-Mikroplasma-Jet zur Bildung funktioneller Schichten
(2012)
In Rahmen dieser Arbeit wurde die Plasmapolymerisation von aminogruppenhaltigen und perfluorierten Kohlenwasserstoffen mit einem Atmosphärendruck Mikroplasma Jet untersucht, mit dem Ziel einer erstmaligen erfolgreichen Abscheidung von Teflon-artigen und aminogruppenhaltigen Schichten. Hierzu wurde ein Versuchsaufbau zur Schichtabscheidung mit einem Mikroplasma-Jet bei Atmosphärendruckbedingungen konzipiert und aufgebaut. Dieser besteht im Wesentlichen aus dem Plasma-Jet und der ihn umgebenden Glaskuppel, welche die Erzeugung definierter Umgebungsatmosphären bei Normaldruck gestattet sowie vor eventuell entstehenden toxischen Reaktionsprodukten schützt. Als erste Aufgabe wurde die Deposition mit den aminogruppenhaltigen Präkursoren Cyclopropylamin (CPA) und Ethylendiamin (EDA) bearbeitet. Es zeigte sich, dass die Abscheidung im selbstorganisierten Jet-Modus möglich war. Die abgeschiedenen Schichten besitzen trotz eines kuppelförmigen Abscheidungsprofils eine homogene chemische Struktur mit einem Stickstoffgehalt von bis zu 20%, wie durch Profilometrie beziehungsweise XPS ermittelt wurde. Es wurden Werte von [NH2]/[C] zwischen 5,5 % und 3 % (EDA) sowie 4 % und 1 % (CPA) erreicht, abhängig von der Behandlungszeit der Substrate und der verwendeten Umgebungsatmosphäre. Die Schutzgasatmosphäre, bestehend aus einem Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff, welche dazu gedacht war die Bildung primärer Aminogruppen zu unterstützen, hatte einen negativen Effekt auf die Abscheidung. Im Vergleich zu einem Prozess an Luft wurde die Depositionsrate halbiert. Weiterhin konnte ein positiver Effekt auf den Anteil der Aminogruppen nur bei CPA festgestellt werden. Bezüglich der chemischen Zusammensetzung der Schichten wird ein erstes Modell der Plasmapolymerisationsreaktionen vorgestellt, welches auf dem wiederholten Vorgang der Abspaltung einer Aminogruppe und der nachfolgenden Reaktion der so entstandenen Radikale basiert. Bei der Bearbeitung der zweiten Aufgabe, der Deposition von fluorierten Plasmapolymer-Schichten, wurde ein spezielles Entladungsregime des Jets entdeckt. Die hierbei identifizierten Konditionen ermöglichten erstmalig die Abscheidung von C:F-Schichten mit einem Atmosphärendruck Jet. Hierbei wurden mit Octafluorcyclobutan (c-C4F8) als Präkursor, mit hohen Wachstumsraten (bis zu 43 nm/s mit N2-Atmosphäre) Schichten erzeugt. In diesen wurde mitttels XPS eine homogene chemische Struktur mit einem [F]/[C]-Verhältnis von 1,4 und einem sehr geringen Gehalt an Stickstoff und Sauerstoff nachgewiesen. Fits des hoch aufgelöst gemessenen C 1s Peaks zeigen einen Vernetzungsgrad von 44 % und ein [CF2]/[CF3]-Verhältnis von rund 1,8. Der statische Wasserkontaktwinkel bei diesen Schichten lag im Bereich von 100° – 135°. Die geforderte Hydrophobie der Schichten wurde damit erreicht. Luft als Umgebungsatmosphäre während des Beschichtungsprozesses führt nicht zu einem überwiegend ätzenden Plasmaprozess, reduziert jedoch die Depositionsrate um Faktor vier. Änderungen der chemischen Zusammensetzung der Schicht im Vergleich zur Schutzgasatmosphäre wurden nicht festgestellt. Die Verwendung von Octafluorpropan (C3F8) als Präkursor ergab nur ein minimales Schichtwachstum unter Schutzgas- und kein Wachstum unter Luft-Atmosphäre. Basierend auf den Beobachtungen anderer Autoren, wurde dies durch für die Plasmapolymerisation ungünstigere Fragmentierung des Präkursors erklärt. Das spezielle Entladungsregime, die eingeschnürte und lokalisierte bogenähnliche Entladung, wird als die Ausprägung einer --Modus Atmosphärendruck Entladung erklärt, bei der das Substrat als zweite geerdete Elektrode fungiert. Hierzu ist eine ausreichende Leitfähigkeit des Substrats notwendig. Anhand eines vereinfachten Ersatzschaltbildes werden die beobachteten Abhängigkeiten von Substratmaterial und Entladungsregime modelliert
Beams of ions and electrons are a source of free energy which can be transferred to waves via an instability. Beams exist in almost all plasma environments, but their instabilities are particularly important for the dynamics of space plasmas. In the absence of collisions, the instability drives waves to large amplitudes and forms nonlinear structures such as solitary waves. The electric fields in these waves can scatter particles in the background plasma, or disrupt currents. Both of these effects are important for the overall dynamics of the plasma. In this thesis, both electron and ion beam plasma instabilities have been investigated in the linear plasma device VINETA and using a Particle-in-Cell simulation. The electron beam instability has been demonstrated by previous authors to be a useful diagnostic for the plasma density. The spatial resolution of previous results was confirmed at a few millimetres, and a temporal resolution of 1ms was shown for the first time. An ion beam was generated with a double plasma discharge. Compared to space, this environment and indeed most laboratory plasmas have considerably higher collisionality and a limited spatial extent which introduces gradients in the plasma. Gradients perpendicular to the beam propagation direction are linked to a decrease of both the wavelength and amplitude of the instability. It was observed in both experiment and simulation that gradients in sheaths at the boundaries of the plasma not only affect the time averaged plasma parameters, but also excite instabilities. Fluctuations within the sheath spread the beam in velocity space, effectively increasing its temperature. Warmer beams require a higher drift velocity to excite an instability. This was also confirmed by experimental and numerical results. Collisions are shown to be the dominant damping force for the electron beam instability. For ions, collisions play an important role in the simulation, but appear to be overshadowed by Landau damping from impurities in the experiment. When boundary conditions are removed from the simulation, wave amplitudes increase and nonlinear effects become important. Saturation by particle trapping and coalescence of phase space holes is observed, which could eventually lead to the solitary waves as they are observed in space plasmas.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden erstmalig systematische Untersuchungen zum Thema „Plasma-Flüssigkeits-Wechselwirkungen“ dargestellt. Es gelang mit Hilfe einer geeigneten kalten Atmosphärendruckplasmaquelle in Form einer dielektrisch behinderten Oberflächenentladung (DBE) ein Plasma in verschiedenen Arbeitsgasen zu zünden und Flüssigkeiten ohne direkten Plasmakontakt zu behandeln. Um einen Einblick in die komplexen Mechanismen zu bekommen, wurde im analytischen Teil dieser Arbeit das Plasma mittels OES untersucht, die angrenzende Gas-Phase mittels FT-IR-Spektroskopie und MS, und anschließend die Flüssigkeit unter Nutzung photometrischer Methoden und pH-Wert-Messungen. Auf der Basis dieser Untersuchungen folgten theoretische Ausführungen zu möglichen Wechselwirkungen der detektierten Komponenten mit der Flüssigkeit. Theoretisch entstehen bei der Luftplasmabehandlung von Wasser, über Zwischenprodukte (ROS und RNS) wie z. B. HO•, HOO•, NO•, NO2•, schlussendlich H+, NO3-, NO2- und H2O2. Bei der Argon- und Argon-Sauerstoff-Plasmabehandlung von Wasser dürften aufgrund des Stickstoffmangels nur ROS entstehen, die in der Entstehung von H+ und H2O2 enden. Diese Hypothesen zur Bildung der Spezies NO3-, NO2- und H2O2, sowie die Ansäuerung der Flüssigkeit wurden mittels photometrischer Methoden und pH-Wert-Messungen überprüft und bestätigt. Im anschließenden biologischen Teil der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der Plasmabehandlungen in den verschiedenen Arbeitsgasen auf in physiologischer NaCl-Lösung und PBS suspendierte Mikroorganismen (E. coli, S. aureus und B. atrophaeus Sporen) untersucht. In ungepuffertem Medium wurden die vegetativen Mikroorganismen innerhalb weniger Minuten Plasmabehandlung inaktiviert. In PBS hingegen wurden längere Behandlungszeiten benötigt. Das Plasma hatte auf die suspendierten Sporen wie erwartet kaum eine inaktivierende Wirkung. Die zwei vermutlichen Hauptwege laufen einerseits über reaktive Stickstoffspezies (RNS) und andererseits über reaktive Sauerstoffspezies (ROS). RNS können in Wechselwirkung mit Wasser über diverse zelltoxische Zwischenprodukte wie z. B. NO•, NO2•, N2O3, ONOOH, ONOO- zu NO3- und NO2- umgesetzt werden. ROS in Interaktion mit Wasser resultieren in Bildung von H+ und H2O2. Auch hier wird angenommen, dass eine Vielzahl an antimikrobiellen Komponenten entsteht, z. B. HO•, HOO•, O2•-. Es gibt folglich sehr viele Reaktionen und Interaktionen zwischen plasmagenerierten reaktiven Spezies und Wasser, welche in zelltoxischen Komponenten enden und die inaktivierende Wirkung des Plasmas auf suspendierte Mikroorganismen erklären. Um die Interaktionen zwischen den Phasen Plasma-Gas-Flüssigkeit besser zu verstehen und Hypothesen zu prüfen, wurden einerseits die Mikroorganismen-Suspensionen und destilliertes Wasser nur mit plasmabehandeltem Gas behandelt und andererseits die Mikroorganismen plasmabehandelter Flüssigkeit ausgesetzt. Die Untersuchungen zeigten deutlich, dass die plasmainitiierte Chemie und damit die biologischen Effekte des Plasmas auf das Gas bzw. in Flüssigkeit übertragen werden. Folglich werden biologische Effekte des Plasmas über die Gas- und Flüssigkeits-Phase vermittelt und Plasma-Flüssigkeits-Wechselwirkungen müssen immer im zusammenhängenden chemischen System Plasma-Gas-Flüssigkeit(-Zelle) betrachtet werden. Weiterhin wurden chemische und mikrobiologische Effekte durch den Einfluss von gasförmigem NO• und O3 auf Wasser bzw. suspendierte Mikroorganismen untersucht und mit der Luftplasmabehandlung verglichen. Hierbei zeigten beide Begasung deutlich geringere inaktivierende Effekte als die Luftplasmabehandlung. Die Begasung von Mikroorganismen mit NO• und O3 und die Analytik von begastem Wasser geben einen detaillierten Einblick in die Chemie und Mechanismen der RNS und ROS. Die Behandlung mit der dielektrisch behinderten Oberflächenentladung in Luft vereint diese zwei Hauptwege über RNS und ROS und resultierte somit in effektiveren antimikrobiellen Wirkungen. Durch die Experimente der vorliegenden Arbeit wurde ein geeignetes biologisches Modell gefunden und validiert, um den Einfluss von Plasma auf lebende Zellen zu untersuchen und Mechanismen von Plasmabehandlungen aufzudecken. Anhand des Modells „Mikroorganismen-Suspension“ konnte gezeigt werden, dass die Gas-Phase (Behandlungen mit DBE-Abgas) und die extrazelluläre Flüssigkeit (Behandlungen mit plasmabehandelter Flüssigkeit) eine bedeutende Rolle bei der Vermittlung der Plasmaeffekte spielen. Die Spezies aus dem Plasma gelangten über die Gas-Phase durch Diffusion/Penetration/ Interaktion in die Flüssigkeits-Phase, reagierten teilweise zu anderen reaktiven Spezies weiter und erreichten so die Zellen. Die verschiedenen analytischen Methoden und anschließende theoretische Betrachtungen der Phasen Plasma-Gas-Flüssigkeit gaben einen detaillierten Einblick in die chemischen Mechanismen von Plasma-Flüssigkeits-Wechselwirkungen und zeigten biologisch wirksame Komponenten auf.