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- S. Karger AG (1)
Kaltes Atmosphärendruckplasma (CAP) hat in der Therapie an Bedeutung gewonnen und wird zurzeit in verschiedenen Bereichen der Medizin eingesetzt. CAP hat antiproliferative, antimikrobielle und zellstimulierende Wirkungen. Eine therapeutisch vielversprechende Einsatzmöglichkeit vom CAP ist die Behandlung maligner Tumoren. Weiterhin wird CAP klinisch in der Behandlung chronischer Wundheilungsstörungen der Haut eingesetzt.
In dieser Arbeit wurde die antiproliferative Wirkung von CAP auf zwei Haut-assoziierte Zelllinien (HaCaT und B16) untersucht. Anhand der CAP-Exposition und der Analyse der Wachstumskinetiken konnten wir bestätigen, dass die antiproliferative Wirkung von CAP von der Behandlungszeit abhängt. Ferner bestätigten die Ergebnisse, dass die antiproliferative Wirkung in der malignen Zelllinie B16 stärker ausgeprägt ist.
Weiterhin wurde die genotoxische Wirkung von CAP in einem 3D-Epidermismodell, dem epiCS® untersucht. Das Epidermismodell wurde 30s, 60s und 120s mit CAP behandelt (Plasmagerät kINPen MED). Zum Nachweis von DNA- Doppelstrangbrüchen und Apoptose wurden γ-H2AX und Caspase-3 herangezogen. Die fluoreszenzmikroskopische Analyse der Epidermis zeigte keinen höheren Anteil an γ-H2AX oder Capspase-3 positiven Zellen durch die CAP-Exposition. Lediglich waren γ-H2AX und Caspase-3 in beiden Behandlungsgruppen (Argon/CAP) nachweisbar. Ein direkter Zusammenhang zur CAP-Behandlung bzw. zur Behandlungszeit wurde jedoch nicht nachgewiesen.
Insgesamt kann man feststellen, dass die CAP-Exposition nicht zur vermehrten Apoptose in gesunden Epidermiszellen führt. Außerdem kann die CAP-Exposition gesunder Epidermis Zellen bis 120s ohne genotoxische oder zellschädigende Wirkung erfolgen.
In dieser Arbeit wurden die Eigenschaften von atmosphärendruckplasmaaktivierten Natriumchloridlösungen (NaCl-Lösungen), unter Anwendung von nass-chemischen und mikrobiologischen Analysenverfahren, untersucht. Es zeigte sich, dass plasmaaktivierte NaCl-Lösungen sowohl mit kurzzeitigen als auch mit langzeitigen antimikrobiellen Effekten generiert werden können. Diese Effekte korrelieren mit einer Änderung der chemischen Zusammensetzung der flüssigen Phase. Molekularbiologische Untersuchungen zeigten, dass die antimikrobiellen Effekte auf unterschiedlichen Wirkmechanismen, vor allem auf oxidativem und nitrosativem Stress, beruhen. Anwendungsorientierte Untersuchungen haben gezeigt, dass plasmaaktivierte NaCl-Lösungen über ein enges Wirkspektrum (grampositive und gramnegative Erreger) verfügen, sich keine schnellen Resistenzen gegen den Testorganismus ausbilden und eine Kombination mit handelsüblichen Antibiotika ein vielversprechender Ansatz für eine Wirkungssteigerung der verwendeten Antibiotika ist.
Im Fokus dieser Arbeit standen die Wechselwirkungen zwischen nicht-thermischem Atmosphärendruck-Plasma und in-vitro kultivierten Keratinozyten (HaCaT-Keratinozyten) und Melanomzellen (MV3). Für die Untersuchungen wurden drei Plasmaquellen unterschiedlicher Bauart genutzt; ein Plasmajet (kINPen 09) und zwei Quellen, die das Plasma mittels der dielektrisch behinderten Entladung (Oberflächen-DBE, Volumen-DBE) generieren. Um grundlegende Effekte von Plasma auf Zellen analysieren zu können, wurde zunächst der Einfluss von physikalischem Plasma auf die Vitalität; die DNA und die Induktion von ROS untersucht. Folgende Methoden wurden verwendet: - Vitalität: - Neutralrotassay, Zellzählung (Zellzahl, Zellintegrität) - BrdU-Assay (Proliferation) - Annexin V und Propidiumiodid- Färbung, Durchflusszytometrie (Induktion von Apoptose) - DNA: - Alkalischer Comet Assay (Detektion von DNA-Schäden) - DNA-Färbung mit Propidiumiodid, Durchflusszytometrie (Zellzyklusanalyse) - ROS: - H2DCFDA-Assay, Durchflusszytometrie (Bestimmung der ROS-positiven Zellen) Neben den Folgen die die Plasmaquellen induzieren wurde weiterhin untersucht, welchen Einfluss das Behandlungsregime (direkt, indirekt, direkt mit Mediumwechsel), das Prozessgas (Argon, Luft) und die zellumgebenden Flüssigkeiten (Zellkulturmedien: IMDM, RPMI; Pufferlösungen: HBSS, PBS) auf das Ausmaß der Plasma-Zell-Effekte hatten. Die Verwendung aller Plasmaquellen führte in HaCaT-Keratinozyten und Melanomzellen (MV3) zu Behandlungszeit-abhängigen Effekten: - Verlust an vitalen Zellen und verminderte Proliferationsfähigkeit - Induktion von Apoptose nur nach den längsten Plasmabehandlungszeiten - DNA-Schäden 1 h nach Plasmabehandlung, nach 24 h deutlich weniger bzw. nicht mehr nachweisbar, Hinweise für DNA-Reparatur vorhanden - Zellzyklusarrest in der G2/M-Phase zulasten der G1-Phase 24 h nach Plasmabehandlung - Anstieg der ROS-positiven Zellen 1 h und 24 h nach Plasmabehandlung Es wurde gezeigt, dass in RPMI-Medium kultivierte Zellen sensitiver, in Form von verminderter Vitalität und vermehrten DNA-Schäden, reagierten als in IMDM-Medium gehaltene Zellen. Aber auch während der Plasmabehandlung in Pufferlösungen (HBSS, PBS) gehaltene HaCaT-Zellen wiesen DNA-Schäden auf. Die direkte und indirekte Plasmabehandlung führte zu nahezu gleichen Ergebnissen. Ein Wechsel des Zellkulturmediums direkt nach der Plasmabehandlung schwächte alle gemessenen Effekte ab. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass neben der Art der Flüssigkeit und Behandlungszeit auch der Inkubationszeitraum der Zellen mit der in Plasma in Kontakt gekommenen Flüssigkeit von essentieller Bedeutung ist. Die durch Plasma induzierten reaktiven Spezies gelangen in die Flüssigkeit und interagieren mit den Wassermolekülen und den organischen Molekülen der Zellkulturmedien, welche langlebige Radikale (z.B. H2O2) bilden, die dann ihrerseits mit zellulären Molekülen reagieren. Die anderen Plasmakomponenten wie UV-Licht und elektrische bzw. magnetische Feldern scheinen nur eine untergeordnete Rolle in der Plasma-Zell-Interaktion zu spielen, da diese nur bei der direkten Behandlung mit den Zellen in Berührung kommen und die starken Auswirkungen nach der indirekten Behandlung nicht verursachen können. Die in diesen Untersuchungen verwendete Oberflächen-DBE konnte mit Luft oder mit Argon als Prozessgas betrieben werden. Wurde Argon als Prozessgas genutzt, kam es zu milderen Auswirkungen im Vergleich zur Plasmabehandlung im Luftmodus. Mit Luft generiertes Plasma weist neben ROS auch RNS in der Gasphase auf, letztere lassen sich im Argon-Plasma nicht nachweisen und stehen für Plasma-Zell-Interaktionen nicht zur Verfügung. Zusätzlich zu den humanen Keratinozyten wurden auch humane Melanomzellen mit Plasma (Oberflächen-DBE/Luft) behandelt. Im Vergleich zu den HaCaT-Zellen sind bei den MV3-Zellen geringere Behandlungszeiten nötig, um biologisch gleichwertige Effekte zu bewirken. Die hier verwendeten Testmethoden eignen sich für die biologische Charakterisierung von neuen Plasmaquellen bzw. für die Analyse von Plasma-Zell-Wechselwirkungen weiterer Zelllinien. Tiefergehende Untersuchungen, z.B. bezüglich der genaueren Spezifizierung der durch Plasma hervorgerufenen oxidativen DNA-Schäden und den daraus resultierenden Reparaturmechanismen, sollten folgen.
Untersuchung zur Wirkung von kaltem Atmosphärendruckplasma über die Oxidation von Thiolgruppen
(2022)
Redox signaling-Prozesse innerhalb und zwischen Zellen spielen eine Rolle in
verschiedenen physiologischen und pathologischen Prozessen, wobei zelluläre
Thiolgruppen als wichtige Signalübermittler identifiziert wurden. Durch Behandlung der
Aminosäure Cystein mit kaltem Atmosphärendruckplasma werden solche
Thiolgruppen oxidiert und verschiedene Verbindungen erzeugt. Diese Arbeit sollte
klären, ob so die Erzeugung von stabilen reaktiven Spezies möglich ist, die einen
biologischen Effekt haben. Dazu wurden Pufferlösungen, die Cystein enthielten, mit
einem Argon-Plasmajet (kINPen 09) mit Sauerstoffzumischung behandelt und auf
kultivierte menschliche Keratinozyten der HaCaT-Zellinie übertragen. Zellproliferation,
Migrationsaktivität, Metabolismus, Viabilität und intrazellulärer Redoxzustand wurden
untersucht.
Plasmabehandelte Flüssigkeiten mit Cysteinkonzentrationen von 2 mmol/l zeigten
keinen Einfluss auf das Zellverhalten im Vergleich zu behandeltem Puffer ohne
Cystein. Erhöhte Cysteinkonzentrationen von 100 mmol/l verringerten bei langen
Plasmabehandlungszeiten von 5 min beziehungsweise 10 min die Proliferation,
Migration, Laktatsekretion und Viabilität. Für kürzere Behandlungszeiten von 1 min und
2,5 min wurden Hinweise auf eine erhöhte metabolische Aktivität gefunden. GSSGSpiegel
in den Zellen wurden stabilisiert und intrazelluläre ROS reduziert. Diese
Effekte könnten auf generierte bioaktive Substanzen wie oxidierte Disulfide
zurückzuführen sein, die längerfristig zu Energiemangel führen. Ein möglicher
Vermittler ist Cystein-S-sulfonat, welches als NMDA-Rezeptoragonist bekannt ist.
Zudem könnte auch die Aktivierung des XC-Antiporters mit Folgen für den
intrazellulären Redoxzustand zu den kurzfristigen Effekten beigetragen haben.
Durch plasmabehandelte Cysteinlösung konnten biologische Effekte, teilweise im
Sinne einer Hormesis, nachgewiesen werden. Die Ergebnisse zeigten eine
zytotoxische Wirkung nach langer Plasmabehandlung der Cysteinlösung, während für
kürzere Zeiten auch aktivierende Effekte deutlich wurden. Somit scheint die gezielte
Erzeugung stabiler reaktiver Spezies als neuer Ansatzpunkt der Plasmaanwendung
möglich.
The confinement of energy has always been a challenge in magnetic confinement fusion devices. Due to their toroidal shape there exist regions of high and low magnetic field, so that the particles are divided into two classes - trapped ones that are periodically reflected in regions of high magnetic field with a characteristic frequency, and passing particles, whose parallel velocity is high enough that they largely follow a magnetic field line around the torus without being reflected. The radial drift that a particle experiences due to the field inhomogeneity depends strongly on its position, and the net drift therefore depends on the path taken by the particle. While the radial drift is close to zero for passing particles, trapped particles experience a finite radial net drift and are therefore lost in classical stellarators. These losses are described by the so-called neoclassical transport theory. Recent optimised stellarator geometries, however, in which the trapped particles precess around the torus poloidally and do not experience any net drift, promise to reduce the neoclassical transport down to the level of tokamaks. In these optimised stellarators, the neoclassical transport becomes small enough so that turbulent transport may limit the confinement instead. The turbulence is driven by small-scale-instabilities, which tap the free energy of density or temperature gradients in the plasma. Some of these instabilities are driven by the trapped particles and therefore depend strongly on the magnetic geometry, so the question arises how the optimisation affects the stability. In this thesis, collisionless electrostatic microinstabilities are studied both analytically and numerically. Magnetic configurations where the action integral of trapped-particle bounce motion, J, only depends on the radial position in the plasma and where its maximum is in the plasma centre, so-called maximum-J configurations, are of special interest. This condition can be achieved approximately in quasi-isodynamic stellarators, for example Wendelstein 7-X. In such configurations the precessional drift of the trapped particles is in the opposite direction from the direction of propagation of drift waves. Instabilities that are driven by the trapped particles usually rely on a resonance between these two frequencies. Here it is shown analytically by analysing the electrostatic energy transfer between the particles and the instability that, thanks to the absence of the resonance, a particle species draws energy from the mode if the frequency of the mode is well below the charateristic bounce frequency. Due to the low electron mass and the fast bounce motion, electrons are almost always found to be stabilising. Most of the trapped-particle instabilities are therefore predicted to be absent in maximum- J configurations in large parts of parameter space. Analytical theory thus predicts enhanced linear stability of trapped-particle modes in quasi-isodynamic stellarators compared with tokamaks. Moreover, since the electrons are expected to be stabilising, or at least less destabilising, for all instabilities whose frequency lies below the trapped-electron bounce frequency, other modes might benefit from the enhanced stability as well. In reality, however, stellarators are never perfectly quasi-isodynamic, and the question thus arises whether they still benefit from enhanced stability. Here the stability properties of Wendelstein 7-X and a more quasi-isodynamic configuration, QIPC, are investigated numerically and compared with another, non-quasiisodynamic stellarator, the National Compact Stellarator Experiment (NCSX) and a typical tokamak. In gyrokinetic simulations, performed with the gyrokinetic code GENE in the electrostatic and collisionless approximation, several microinstabilities, driven by the density as well as both ion and electron temperature gradients, are studied. Wendelstein 7-X and QIPC exhibit significantly reduced growth rates for all simulations that include kinetic electrons, and the latter are indeed found to be stabilising when the electrostatic energy transfer is analysed. In contrast, if only the ions are treated kinetically but the electrons are taken to be in thermodynamic equilibrium, no such stabilising effect is observed. These results suggest that imperfectly optimised stellarators can retain most of the stabilising properties predicted for perfect maximum-J configurations. Quasi-isodynamic stellarators, in addition to having reduced neoclassical transport, might therefore also show reduced turbulent transport, at least in certain regions of parameter space.
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.
The concept of the electron surface layer introduced in this thesis provides a framework for the description of the microphysics of the surplus electrons immediately at the wall and thereby complements the modelling of the plasma sheath. In this work we have considered from a surface physics perspective the distribution and build-up of an electron adsorbate on the wall as well as the effect of the negative charge on the scattering of light by a spherical particle immersed in a plasma. In our electron surface layer model we treat the wall-bound electrons as a wall-thermalised electron distribution minimising the grand canonical potential and satisfying Poissons equation. The boundary between the electron surface layer and the plasma sheath is determined by a force balance between the attractive image potential and the repulsive sheath potential and lies in front of the crystallographic interface. Depending on the electron affinity x, that is the offset of the conduction band minimum to the potential in front of the surface, two scenarios for the wall-bound electrons are realised. For x<0 electrons do not penetrate into the solid but are trapped in the image states in front of the surface where they form a quasi two-dimensional electron gas. For x>0 electrons penetrate into the conduction band where they form an extended space charge. These different scenarios are also reflected in the electron kinetics at the wall which control the sticking coefficient and the desorption time. If x<0 electrons from the plasma cannot penetrate into the solid. They are trapped in the image states in front of the surface. The transitions between unbound and bound states are due to surface vibrations. Trapping of electrons is mediated by one-phonon transitions and takes place in the upper bound states. Owing to the large binding energy of the lowest bound state transitions from the upper bound states to the lowest bound state are due to multi-phonon processes. For low surface temperatures relaxation to the lowest bound state takes place while for higher temperature a relaxation bottleneck emerges. Desorption occurs in cascades for systems without relaxation bottleneck and as a one-way process in systems with a relaxation bottleneck. From the perspective of plasma physics the most important result is that the sticking coefficient for electrons is relatively small, typically on the order of 0.001. For x>0 electron physisorption takes place in the conduction band. For this case sticking coefficients and desorption times have not been calculated yet but in view of the more efficient scattering with bulk phonons, responsible for electron energy relaxation in this case, we expect them to be larger than for the case of x<0. Finally, we have studied the effects of surplus electrons on the scattering of light by a spherical particle. For x<0 the electrons form a spherical electron gas around the particle and their electrical conductivity modifies the boundary condition for the magnetic field. For x>0 the electrons in the bulk of the particle modify the refractive index through their bulk electrical conductivity. In both cases the conductivity is limited by scattering with surface or bulk phonons. Surplus electrons lead to an increase of absorption at low frequencies and, most notably, to a blue-shift of an extinction resonance in the infrared. This shift is proportional to the charge and is strongest for submicron-sized particles. The particle charge is also revealed in a blue-shift of the rapid variation of one of the two polarisation angles of the reflected light. From our work we conclude that the electron affinity is an important parameter of the surface which should affect the charge distribution as well as the charge-up. Therefore, we encourage experimentalists to study the charging of surfaces or dust particles as a function of x. Interesting in this respect is also if or under what conditions the electron affinity of a surface exposed to a plasma remains stable. Moreover, we suggest to use the charge signatures in Mie scattering to measure the particle charge optically. This would allow a charge measurement independent of the plasma parameters and could be applied to nano-dust where conventional methods cannot be applied.
The active screen plasma nitrocarburizing (ASPNC) technology is a state-of-the-art plasma-assisted heat treatment for improving surface hardness and wear resistance of metallic workpieces based on thermochemical diffusion. In comparison to conventional plasma nitrocarburizing, the use of an active screen (AS) improves thermal homogeinity at the workload and reduces soot formation. Further it can serve as a chemical source for the plasma processes, e.g. by use of an AS made of carbon-fibre reinforced carbon. This compilation of studies investigates the plasma-chemical composition of industrial- and laboratory-scale ASPNC plasmas, predominantly using in-situ laser absorption spectroscopy with lead-salt tuneable diode lasers, external-cavity quantum cascade lasers, and a frequency comb. In this way the temperatures and concentrations of the dominant stable molecular species HCN, NH3, CH4, C2H2, and CO, as well as of less prevelant species, were recorded as functions of e.g. the pressure, the applied plasma power, the total feed gas flow and its composition. Additionally, the diagnostics were applied to a chemically similar plasma-assisted process for diamond deposition.
Resulting from this thesis are new insights into the practical application of an AS made of CFC, the plasma-chemistry involving hydrogen, nitrogen, and carbon, and the particular role of CO as an indicator for reactor contamination. The effect of the feed gas composition on the resulting nitrogen- and carbon-expanded austenite layers was proven by combination of in-situ laser absorption spectroscopy with post-treatment surface diagnostics. Furthermore this work marks the first use of frequency comb spectroscopy with sub-nominally resolved Michelson interferometry for investigation of a low-pressure molecular discharge. This way the rotational bands of multiple species were simultaneously measured, resulting in temperature information at a precision hitherto not reached in the field of nitrocarburizing plasmas.
Schilddrüsenhormone haben einen vielfältigen Einfluss auf den Stoffwechselmetabolismus. Die genauen molekularen Mechanismen, die mit Veränderungen der Schilddrüsenhormon-spiegel einhergehen, sind jedoch in vielen Bereichen noch unbekannt. Das Ziel der Arbeit bestand deshalb darin, auf Basis von Daten einer repräsentativen Stichprobe der Allgemein-bevölkerung die Zusammenhänge zwischen den Schilddrüsenhormonen und einem umfang-reichen Metabolitenpanel zu untersuchen, um so weitere Einblicke in die zugrunde-liegenden Ätiologien und Signal-wege zu erhalten.
Von 952 Teilnehmenden der SHIP-Trend-Studie wurden aus Plasma- und Urinproben in einem kombinierten Messverfahren (LC-MS sowie 1H-NMR) sowohl mit ungerichtetem als auch mit gerichtetem Ansatz das Metabolom quantifiziert. Um den Zusammenhang zwischen Thyroxin (fT4), Triiodthyronin (fT3) und Thyreotropin (TSH) mit den identifizierten Metaboliten zu untersuchen, wurden lineare Regressionsmodelle herangezogen. Bei Vorliegen eines signi-fikanten Interaktionseffekts zwischen fT4, fT3 bzw. TSH und dem Geschlecht wurden diese Analysen für Männer und Frauen getrennt durchgeführt. Eine Random-Forest-Analyse wurde angewendet, um die Relevanz phänotypischer Charakteristiken für die individuelle fT4-Konzentration vorherzusagen und die beobachteten Geschlechterunterschiede in den Asso-ziationen zu erklären.
Zwischen TSH und den Metaboliten im Plasma und Urin ließen sich keine signifikanten Assoziationen identifizieren. 106 von 613 Plasmametaboliten waren signifikant mit fT4 assoziiert. Assoziationen zwischen fT4 und den Urinmetaboliten ließen sich hingegen deutlich seltener beobachten (12 von 587). Die Mehrheit der mit fT4 assoziierten Plasmametabolite (n = 84) konnte den Klassen der Lipide und Lipidabkömmlingen zugeordnet werden. Die Analyse unterschiedlicher, mittels 1H-NMR-Spektroskopie quantifizierter Lipoproteinsub-fraktionen zeigte zudem in-verse Assoziationen zwischen der fT4-Konzentration und einer Reihe von großen sowie kleinen LDL- und HDL-Unterklassen auf. Dabei ließen sich auch einige geschlechtsspezifische Assoziationen beobachten. So konnten beispielsweise die Assoziationen zwischen fT4 und den HDL3-Subfraktionen nur bei Männern beobachtet werden. Assoziationen zwischen fT4 und verschiedenen mehrfach ungesättigten sowie gesättigten Fettsäuren waren hingegen nur bei Frauen sichtbar. Die identifizierten Geschlechterunterschiede in den Assoziationen lassen sich vermutlich bei Männern auf einen höheren Alkoholkonsum und bei Frauen auf Vorerkrankungen der Schilddrüse sowie den menopausalen Status zurückführen, denn die genannten phänotypischen Charakteristiken zeigten sich in den Random-Forest-Analysen als wichtige geschlechtsspezifische Faktoren für den individuellen fT4-Spiegel. Assoziationen zwischen fT3 und den Metaboliten im Plasma ließen sich im Vergleich zu fT4 deutlich seltener beobachten (55 von 613). Zudem waren 13 Urinmetabolite signifikant mit fT3 assoziiert. Die mittels 1H-NMR-Spektroskopie durch-geführte Analyse der Lipoproteinsubfraktionen zeigte positive Assoziationen zwischen fT3 und kleinen LDL-Unterklassen auf.
Die vorliegende Studie zeigte eine umfangreiche Signatur von Metaboliten auf, deren Konzentrationen im Plasma mit Serumspiegeln von fT4 und fT3, aber nicht mit TSH assoziiert waren. Somit deutet sie auf die besondere Relevanz von fT4 Spiegeln in der Therapie von Schilddrüsenerkrankungen hin, um eine ausreichende Versorgung peripherer Gewebe mit Schilddrüsen-hormonen zu gewährleisten.
Modern space missions depend more and more on electric propulsion devices for in-space
flights. The superior efficiency by ionizing the feedgas and propelling them using electric
fields with regard to conventional chemical thrusters makes them a great alternative. To
find optimized thruster designs is of high importance for industrial applications. Building
new prototypes is very expensive and takes a lot of time. A cheaper alternative is to rely
on computer simulations to get a deeper understanding of the underlying physics. In order
to gain a realistic simulation the whole system has to be taken into account including the
channel and the plume region. Because numerical models have to resolve the smallest time
and spatial scales, simulations take up an unfeasible amount of time. Usually a self-similarity
scaling scheme is used to greatly speed up these simulations. Until now the limits of this
method have not been thoroughly discussed. Therefore, this thesis investigates the limits
and the influence of the self-similarity scheme on simulations of ion thrusters. The aim
is to validate the self-similarity scaling and to look for application oriented tools to use
for thruster design optimization. As a test system the High-Efficiency-Multistage-Plasma
thruster (HEMP-T) is considered.
To simulate the HEMP-T a fully kinetic method is necessary. For low-temperature plasmas,
as found in the HEMP-T, the Particle-in-Cell (PIC) method has proven to be the best
choice. Unfortunately, PIC requires high spatial and temporal resolution and is hence
computationally costly. This limits the size of the devices PIC is able to simulate as well
as limiting the exploration of a wider design space of different thrusters. The whole system
is physically described using the Boltzmann and Maxwell equations. Using these system
of equations invariants can be derived. In the past, these invariants were used to derive a
self-similarity scaling law, maintaining the exact solution for the plasma volume, which is
applicable to ion thrusters and other plasmas. With the aid of the self-similarity scaling
scheme the computation cost can be reduced drastically. The drawback of the geometrical
scaling of the system is, that the plasma density and therefore the Debye length does not
scale. This expands the length at which charge separation occurs in respect to the system
size. In this thesis the limits of this scaling are investigated and the influence of the scaling
at higher scaling factors is studied. The specific HEMP-T design chosen for these studies is
the DP1.
Because the application of scaling laws is limited by the increasing influence of charge separation with increased scaling, PIC simulations still are computationally costly. Another approach to explore a wider design space is given using Multi-Objective-Design-Optimization
(MDO). MDO uses different tools to generate optimized thruster designs in a comparatively
short amount of time. This new approach is validated using the PIC method. During this
validation the drawback of the MDO surfaces. The MDO calculations are not self-consistent
and are based on empirical values of old thruster designs as input parameters, which not
necessarily match the new optimized thruster design. By simulating the optimized thruster
design with PIC and recalculate the former input parameters, a more realistic thruster design is achieved. This process can be repeated iteratively. The combination of self-consistent
PIC simulations with the performance of MDO is a great way to generate optimized thruster
designs in a comparatively short amount of time. The proof of concept of such a combination
is the pinnacle of this thesis.
In this work, studies with respect to the exhaust problem were performed
in the stellarator experiment Wendelstein 7-X with different target concepts and different magnetic field geometries. Different infrared cameras were used to study the heat flux from the plasma onto the PFC. In the first publication, the limiter set-up was used with a simpler magnetic topology in the plasma edge. The radial fall-off of the parallel heat flux for inboard limiters in W7-X shows, similar to inboard limiters in tokamaks, two different radial fall-off lengths, a short (narrow) one, characterizing the near-SOL, and a long (broad) characterizing the far-SOL. For the far-SOL, the heating power and connection length have been identified as the main scaling parameters, while for the near-SOL, the electron temperature close to the LCFS has been identified as the main scaling parameter. The two fall-off lengths differ by a factor 10, and the found scalings for both regimes differ from known models and experimental scalings in tokamaks. A turbulent-driven feature was discussed in the publication as a possible explanation for the behavior of the fall-off length in W7-X.
The gained information and data have been further used to support many
other publications, covering the symmetry of the heat loads, the
energy balance of the machine, and seeding experiments.
The heat exhaust in W7-X with an island divertor was studied in the second
and third publication. Definitions of parameters such as peaking factor and
wetted area were applied for the heterogeneous heat flux pattern on the
W7-X divertor. It was shown that the island divertor concept is capable
of spreading out the heat efficiently, resulting in large wetted areas of up to 1.5 m2. The reached values for the wetted area are comparable to the ones of the larger tokamak JET but with a much smaller ratio of wetted
area to the area of the last closed flux surface. Furthermore, a positive
scaling of the wetted area with the power in the SOL was observed. This
scaling is beneficial for future reactors but needs further investigation of the involved transport processes. The peaking factor (discussed in the second publication) describes how concentrated the heat load is within the region of the strike line. It was shown that this factor is decreasing for increasing densities without affecting the wetted area. The present work paves the way for further analysis of the transport processes of the heat flux towards the island divertor of Wendelstein 7-X.
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
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.
The thyroid as the largest endocrine gland mainly produces and secretes the thyroid hormones (TH): 3,3’,5-triiodo-L-thyronine (T3) and its pro-hormone L-thyroxine (T4). Besides the impact on growth, normal development, bone marrow structure, the cardiovascular system, body weight and thermogenesis, TH play a vivid role in many metabolic regulatory mechanisms in almost all tissues. Thyroid diseases are relatively prevalent and cause, due to the resulting TH imbalances, a broad spectrum of effects. Many of them manifest in pathologically increased or decreased TH levels defined as hyperthyroidism or hypothyroidism, respectively. Routinely, determination of the thyroid state is based on the assessment of the classical markers TSH and free T4. However, this practice has several drawbacks. Moreover, elucidation of the pleiotropic effects of TH on multiple molecular pathways is mostly based on cell culture, tissue and rodent models. Analysis of animal biofluids like serum and urine using metabolomics approaches demonstrated the extensive impact of TH on other body compartments. In contrast, proteome profiling has not been exploited for the comprehensive characterization of the general metabolic effects of TH. Plasma as a large and diverse compartment of the human proteome provides a great opportunity to identify novel protein markers of thyroid function as well as to characterize metabolic effects of TH in humans.
Therefore, a study of experimental thyrotoxicosis was performed with 16 male volunteers treated with 0.25 mg/d levothyroxine (L-T4) for 8 weeks to induce a hyperthyroid state. Plasma samples were collected before the L-T4 application started, two times during the treatment and additionally two times after withdrawal. Proteome analysis revealed remarkable alterations including increased levels of two known proteins known to correlate with TH levels (sex hormone-binding globulin and cystatin C). The correlation with free T4 levels revealed 76 out of 437 detected proteins with a Pearson correlation coefficient of r ≥ |0.9|. One prominent signature included 10 coagulation cascade proteins exhibiting significantly increased plasma levels during thyrotoxicosis, thereby revealing a trend towards a hypercoagulative state in hyperthyroidism. To overcome the statistical drawbacks of the Pearson correlation analysis, additionally a mixed-effect linear regression model using serum free T4 concentrations as exposure and protein abundances as outcome while controlling for age, BMI, and batch was implemented. Application of this model resulted in the detection of 63 proteins with significant associations to free T4 levels. Besides the already mentioned augmented coagulation, a significant drop in the amounts of three apolipoproteins (ApoD, ApoB-100 and ApoC3) was observed. Furthermore, an increased abundance of proteins assigned to the complement system was detected.
Experimental studies in humans were complemented by corresponding analyses in murine models. In the current work, plasma samples of two murine studies including male C57BL/6 wildtype mice were analyzed to elucidate the impact of thyroid dysfunction on the plasma proteome. The first study was similarly designed as the human model of experimentally induced thyrotoxicosis and assigned the animals to three groups: a control group, a T4 treatment group, and a T4 recovery group, whereupon the latter first received T4 followed by a subsequent TH normalization period. A high proportion of plasma proteins exhibited significantly different protein levels during T4 application (n = 120), where 90 of these also showed a corresponding reverse trend after T4 withdrawal (T4 recovery vs. T4), thereby displaying transient alterations. The molecular pattern of hyperthyroidism in the murine model indicated, as in the human study, a pronounced decrease in apolipoproteins. However, in clear contrast to the human data, the levels of proteins related to the coagulation cascade and complement system were also transiently decreased in mice, while being increased in humans.
The second murine analysis focused on the impact of hyper- and hypothyroidism caused by T3 or T4 treatment and MMI/KClO4 application, respectively. In general, compared to the first murine study less clear alterations of protein levels were detected. Proteins related to the complement system revealed fewer changes in the T3 group and only marginal changes after T4 induction. Unexpectedly, the MMI/KClO4-induced hypothyroidism caused a reduction of the levels of several proteins assigned to the complement system, although different components and factors were affected.
Generally, rodent studies partially provided a divergent picture of TH action as compared to human studies. However, in spite of inconsistent results in studies regarding the effects of TH that are possibly due to species-specific differences, an important role of TH on several metabolic and other pathways, e.g. in the process of blood coagulation and apolipoprotein regulation, is evident. The results from both murine and human studies presented here provide novel insights into changes in the plasma proteome in the context of thyroid diseases which might contribute to a better understanding of TH action on metabolism and other pathways.
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 content of this thesis can be summarized as follows: (i) The deposition processes of SiOx and SiOxCyHz coatings were investigated in a low-pressure, low temperature HMDSO-O2-N2 plasmas. Infrared laser absorption spectroscopy (IRLAS) and optical emission spectroscopy (OES) were combined to measure the gas temperatures in the hot and colder zones of the plasma as well as to monitor the concentration of the methyl radical, CH3, and of seven stable molecules, HMDSO, CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CO and CO2. Tunable lead salt diode lasers (TDLs) and an external-cavity quantum cascade laser (EC-QCL) were simultaneously employed as radiation sources to perform the IRLAS measurements. They were found to be in the range between 10^{11} to 10^{15} cm^{−3}. The influence of the discharge parameters of power, pressure and gas mixture on the molecular concentrations was studied. The plasma generation is characterized by a certain degree of inhomogeneity with different temperature zones, i.e., hottest, hot and colder zones depending on the construction of the reactor. This complexity is characterized by the multiple molecular species including the HMDSO precursor and products in ground and excited states existing in the plasma. (ii) Employing similarly IRLAS and OES techniques, the deposition of nanocrystalline diamond at relatively low temperature in low-pressure MW H2 plasmas with small ad-mixtures of methane and carbon dioxide was investigated. Five methods were applied for an extensive temperature analysis, providing new insights into energetic aspects of the multi-component non-equilibrium plasma. The OES method provided information about the gas temperature of H2 inside the MW plasma. Using lead salt diode lasers, the rotational temperature of the methyl radical, CH3 , and gas temperature of methane molecule, CH4 , was measured. A variety of CO lines in the ground and in three excited states have been analysed using an EC-QCL with a relatively wide spectral range. These methods have shown that based on the construction of the DAA reactor using 16 single plasma sources the plasma generation is characterized by a variety of hottest, hot and colder zones. Extensive measurement of these various species temperatures in the complex plasma enabled the concentration determination of the various stable and unstable plasma species, which were found to be in the range between 10 11 to 10 15 cm −3 . The influence of the discharge parameters, power and pressure, on the molecular concentrations has been studied. To achieve insight into general plasma chemical aspects, the dissociation of the carbon precursor gases including their fragmentation and conversion to the reaction products was analysed in detail. The evolution of the concentration of the methyl radical, CH 3 , of five stable molecules, CH4, CO2, CO, C2H2 and C2H4, and of vibrationally excited CO in the first and second hot band was monitored in the plasma processes by in situ infrared laser absorption spectroscopy using lead salt diode lasers (TDL) and an external-cavity quantum cascade laser (EC-QCL) as radiation sources. OES was applied simultaneously to obtain complementary information about the degree of dissociation of the H2 precursor gas. The analysis of the carbon and oxygen mass balances shows clearly, that the deposition on the reactor walls and the production of other hydrocarbons species may act as sinks for carbon and oxygen. (iii) The absolute line strengths of many P-branch transitions of the ν3 fundamental of {28}^SiH4 were determined using the wide tuning range and the narrow line width of a cw EC-QCL between 2096 and 2178 cm^{−1}. The line positions and line strengths of transitions of the stretching dyad within the P-branch of {28}^SiH4 were determined with an estimated experimental measurement accuracy of 10%. The high spectral resolution available has enabled us to resolve and measure representative examples of the tetrahedral splittings associated with each component of the P-branch. The positions of these components are in excellent agreement with spherical top data system (STDS) predictions and theoretical transitions from the TDS spectroscopic database for spherical top molecules. To our knowledge, this is the first reported measurement of these line strengths in this band and is an example of the applicability of high-powered, widely tunable EC-QCLs to high resolution spectroscopy in the MIR. (iv) Similarly, the determination of the silyl radicals, ν3 band, line strengths is ongoing using the same cw EC-QCL. This effort was impaired by silane and other unknown species lines overlap; however, the silyl radicals was successfully detected in a SiH4/H2 plasma. A method to determine the silyl line strengths has been presented through its iterative decay measurements which relied on the value of the silyl radical self reaction constant. There was a consensus of its value in the literature.
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.
Recent experimental campaigns in the Wendelstein 7-X stellarator, a
plasma-confining device designed to investigate the Magnetic Confinement Fusion
(MCF) approach to generating electrical power, have shown that the injection of
fuelling pellets had an unexpected and considerable impact on the performance of
the plasma. Rather than simply refuelling the device and `diluting' the plasma
energy, pellet injection is followed by a significant increase in the ratio of
the ion temperature to the electron temperature. It has been suggested that this
is not merely due to the improved confinement following the reduction of
turbulent transport after the pellet material has homogenised with the bulk
plasma, but also due to a direct transfer of energy from electrons to ions. The
proposed mechanism for this energy transfer is the ambipolar expansion of the
pellet plasmoid, the localised plasma structure produced by the
ionisation of ablated pellet material, along magnetic field lines.
Early work on pellet plasmoid expansion predicted that half the heating power
deposited in plasmoid electrons by collisions with hot ambient electrons is
transferred to plasmoid ions in the form of flow velocity as the plasmoid
expands. The complicated nature of the system of the pellet plasmoid embedded in
the ambient plasma, particularly the behaviour of electrons, which experience
many collisional and collisionless phenomena on multiple disparate timescales,
means that early models of the expansion were not wholly self-consistent, but
rather made use of strong approximations that apply in some regions of the
plasmoid but not in others. For example, only electrons and ions associated with
the plasmoid were rigorously treated, meaning that the framework was one of
`expansion into vacuum'. Combined with the assumption of Maxwellian electrons,
this led to an electric potential that was unbounded at infinity. Naturally, the
validity of the conclusions of such a model are called into question because the
approximations lose their validity far from the plasmoid and as time advances,
yet predictions about the final state of the plasma are desired. A deeper
investigation is required: careful consideration of the phenomena in question
and the timescales (and lengthscales) on which they act must be made in order to
rigorously construct a model that is valid throughout the entire expansion.
The first two papers presented in this thesis iterate on the model established
in the paper that first predicted the electron-to-ion energy transfer; their aim
was to find out how the character of the expansion changes with a more
sophisticated and accurate description of various phenomena, while remaining
within the existing framework of expansion into vacuum. Ultimately, we find that
the qualitative character is unchanged, and that approximately half the heating
power deposited in plasmoid electrons is transferred to ions.
Two other papers in this thesis address the limitations of the original model.
This is achieved by properly considering the electron kinetic problem in a
plasmoid. One paper considers the electron kinetic problem when electrons are
highly isotropised. In this case the kinetic equation can be integrated to
remove all but two independent variables, which is the maximum possible
reduction considering it is a time-dependent problem. The full nonlinear
integro-differential Landau self-collision operator is integrated exactly and
few approximations are made, leading to a rather general kinetic equation.
However, for fuelling pellets some anisotropy in the electron distribution is
expected. Another paper considers the electron kinetic problem (and the entire
plasmoid expansion) allowing for electron anisotropy. Careful consideration of
the ordering of timescales of electron phenomena in a pellet plasmoid leads to a
steady-state kinetic problem that we call collisional quasi-equilibrium (QE). QE
appears in many ways similar to the collisional steady-state characterising a
true thermal equilibrium. It was found that the time-dependent kinetic problem
of the earlier paper, with isotropic electrons, produces the QE distribution
function, corroborating the existence of the QE state. We then take moments of
the electron kinetic equation that is valid on the expansion timescale, assuming
that the electron distribution is that given as the solution to the QE kinetic
problem. This is completely analogous to what is done to obtain the Braginskii
equations or any Chapman-Enskog theory. The result is a set of equations for the
long-term evolution of the macroscopic quantities that describe the distribution
function existing in a quasi-steady-state at each point in time. It is from this
point that one may feasibly describe the plasmoid expansion with an accurate
picture of the electron kinetics and finally obtain the electron-to-ion energy
transfer so desired in a rigorous model of the expansion.
From a broader point of view, the two frameworks provided by these rigorous
investigations of the electron kinetic problem serve as a basis for the future
study of plasmoids. Such a `first-principles' approach to plasmoid dynamics is
novel and interesting in its own right, but it will be demonstrated that such an
approach is essential for pellet plasmoids owing to the fact that they are
poorly described by the `standard tools' of plasma physics.
Using the QE framework it was found that, once more, about half the heating
power experienced by plasmoid electrons is transferred to plasmoid ions. The
incredible robustness of the prediction of such an energy transfer is, in the
author's opinion, the result of the self-similar nature of the expansion found
as a solution to the original model. As a rule, the profiles of self-similar
solutions tend to be attractors for the `real', more complicated, system, and
the qualitative predictions involving no parameters, of which the
electron-to-ion energy transfer is one, tend to be very sturdy.
Aside from fuelling pellets, composed of hydrogen or deuterium, one paper in
this thesis investigates the physics of high-Z pellets that are designed to
terminate the plasma safely in the event of a `disruption', where much of the
magnetic field energy is channelled into a runaway electron beam with
potentially disastrous consequences if the beam encounters a plasma-facing
component. The paper draws on the work carried out in the paper concerning the
kinetic problem of isotropised electrons in a plasmoid.
This thesis is `cumulative'; the vast majority of the work carried out is
described within a set of Papers, labelled A-E, placed at the back of the text.
There is a preceding `wrapper text' (given in numbered Sections) tasked with
introducing the reader to the topic, guiding the reader through the papers, and
expounding some of their main results. Some amount of material not present in
the papers is also provided in the wrapper text. Naturally, the wrapper text
mainly focusses on the results of the papers which are under my first
authorship. In the course of publishing papers over an extended period of time
the nomenclature is bound to vary. Although it is mostly consistent between the
papers, a few difference do arise, and the section `Common symbols and
subscripts' is provided in the frontmatter to alleviate confusion. Particular
care should be taken with the symbols x and z; both can refer to the
coordinate parallel to the magnetic field line, but in papers where z is used
for this purpose x tends to have another definition. In the wrapper text the
choice of symbols is generally chosen to reflect those in the corresponding
paper.
In this work, various aspects of fundamental physics and chemistry of molecular gas discharges are presented with emphasis on the interaction between species, activated by low-pressure plasmas, and surfaces. As already known, synergistic effects of multiple plasma-generated species are responsible for surface modification. However, due to the large number of internal parameters of a discharge and the complex plasma processes the identification of correlations between plasma characteristics and their effects on surfaces are complicated. Therefore, the aim of this thesis is to improve the understanding of several phenomena associated with plasma–surface interactions by measuring or calculating fundamental kinetic, transport or spectroscopic data needed to interpret measurements and hereby, to support some future applications of plasmas.