Physik VI Plasmaphysik

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1 Physik VI Plasmaphysik

2 Inhaltsübersicht 1. Charakteristik des Plasmazustandes 2. Experimentelle Grundlagen der Plasmaphysik 3. Thermodynamische Gleichgewichtsplasmen 4. Plasmen im Magnetfeld 5. Wellen im Plasma 6. Plasmakinetik 7. Plasmastrahlung 8. Thermonukleare Plasmen

3 2.1. Plasmaerzeugung Die prinzipielle Methode der Erzeugung eines Plasmas besteht darin, in ein Gas Energie einzuspeisen und zwar so, dass in einem (eventuell stufenförmigen) Elementarprozess den Gasatomen Mindestenergien übertragen werden, die zur Ionisation ausreichen. Je nach Gasart liegen diese Energien zwischen etwa 5 und 20 ev. Um ein Plasma zu erzeugen, kann dem Gas auf verschiedene Art und Weise Energie zugeführt werden: thermisch, durch Kompression, durch elektrische Felder, durch energiereiche Strahlung Thermische Plasmaerzeugung hierbei wird einem Gas durch die Temperaturerhöhung der begrenzenden Wände bzw. durch exotherme Reaktionen Wärmeenergie zugeführt dadurch steigt der Energieinhalt aller inneren Freiheitsgrade (Translation, Rotation, Anregung usw.) und es bildet sich bei genügend hohen Temperaturen infolge der Stoßionisation der Teilchen und der Photoionisation der elektromagnetischen Strahlung eine Plasma, dessen Ionisierungsgrad die Saha-Eggert-Gleichung beschreibt

4 durch Temperaturerhöhung King scher Kohleofen (Plasmaofen) Elektrode Graphitrohr Elektrode Fe-Dampf Vakuumpumpe U H Graphitrohr wird durch elektrischen Strom aufgeheizt Rohr enthält zu ionisierende Substanz, z.b. Fe-Dampf maximal erreichbare Plasmatemperatur ~3500K der Ionisierungsgrad ist gering (~1%) echtes thermisches Gleichgewichtsplasma

5 durch Temperaturerhöhung Q-Maschine

6 durch Temperaturerhöhung Geheizte W-Platten Magnetfeld Cs-Dampf Q-Maschine Vakuumpumpe thermionische Elektronenemission Erzeugung der Ionen durch Kontaktionisation Plasmasäule wird durch Magnetfeld zusammengehalten ruhiges (quiescent) Plasma U of Iowa

7 2.1.2 Plasmaerzeugung durch Kompression Mechanische Kompression das Gas wird in einem mechanischen Stoßwellenrohr durch eine induzierte Kompressionswelle aufgeheizt (Ballistischer Kompressor) Elektromagnetische Kompression durch stromstarke Impulsentladungen lassen sich Gase kurzzeitig auf hohe Temperaturen aufheizen eine spezielle Form der elektromagnetischen Kompression tritt beim Pinch- Effekt auf, wo ein rasch ansteigendes Magnetfeld das Plasma komprimiert Plasmaerzeugung durch elektrische Felder in den meisten Fällen werden Plasmen mittels elektrischer Entladungen erzeugt das Prinzip besteht darin, eine Gasstrecke durch Anlegen eines elektrischen Feldes in den ionisierten Zustandes zu versetzen (Zündprozess) und im Gas während einer gewissen Zeitspanne einen elektrischen Strom aufrechtzuerhalten von großer Bedeutung sind der Zeitverlauf des elektrischen Feldes, der Gasdruck und die Elektroden Plasmaerzeugung durch Strahlung zur Ionisierung eines Gases können auch Wellen- oder Teilchenstrahlen dienen, die den Gasraum durchqueren z.b. Mikrowellenstrahlung, Elektronenstrahlen, Laser, radioaktive Strahlung

8 durch Kompression

9 Historische Beispiele durch elektrische Felder Kleist sche Flaschen Domherr Ewald Jürgen von Kleist (1745), Cammin Leidener Flaschen Physiker Pieter van Musschenbroek (1746), Universität Leiden Influenzmaschine (Elektrisiermaschine) nach Wilhelm HOLTZ (1865), Professor in Greifswald

10 durch elektrische Felder Funkenentladung Elektrischer Durchschlag in Luft: E ~ 30 kv/cm

11 durch elektrische Felder

12 durch elektrische Felder DC-Plasma Funkenentladung Elektrischer Durchschlag in Luft: E ~30 kv cm Quelle:

13 durch elektrische Felder Hochfrequenz-Plasma Funkenentladung Elektrischer Durchschlag in Luft: E ~30 kv cm

14 durch elektrische Felder Hochfrequenz-Plasma Funkenentladung Elektrischer Durchschlag in Luft: E ~30 kv cm 14

15 durch elektrische Felder Hochfrequenz-Plasma Funkenentladung Elektrischer Durchschlag in Luft: E ~30 kv cm

16 durch elektrische Felder Magnetronsputtern Funkenentladung Elektrischer Durchschlag in Luft: E ~30 kv cm Von Sandro Knauß;

17 durch elektrische Felder Dielektrisch behinderte Entladung

18 mögliche Energiequellen Plasmaerzeugung durch Einkopplung elektromagnetischer Felder (z.b. Mikrowellen) Plasmaphysik in der Küche

19 durch elektromagnetische Felder

20 durch elektromagnetische Felder Wechselwirkung des Elektrons mit dem Feld: m e r + vm e r = e (E 0 e iαx + r B) Absorbierte Energie: P abs = n ee 0 E 0 2 4m e ν ν 2 ω ω s 2 + ν 2 + ν 2 ω + ω s 2 + ν 2

21 durch UV-Strahlung Nordamerikanebel (NGC7000) 21

22 mögliche Energiequellen Temperaturerhöhung Kompression Teilchenstrahlung Plasmaerzeugung Elektrische Felder Elektromagnetische Felder Elektromagnetische Strahlung

23 durch Strahlung

24 focus torch high MHD pressure lamps hollow cathode DBE ECR helicon ICP Magnetron CCP electron beam pseudo sparks arcs arcs PDP microwave surface wave low-pressure lamps positive column corona dc cathode sputtering gas density N 0 (cm -3 ) k pressure p 0 (Pa)

25 2.2. Diagnostik des Plasmas Elektrostatische Sonden I.Langmuir und seine Mitarbeiter entwickelten in den 1920er Jahren die Sondendiagnostik elektrischer Entladungen zu einem leistungsfähigen Verfahren und schufen damit eine der experimentellen Voraussetzungen zum Aufbau der Plasmaphysik Einzelsondenmethode (Kugelsonde, ebene Sonde, Zylindersonde) Doppelsondenmethode Plasmaspektroskopie neben der Sondentechnik gehört die spektroskopische Plasmadiagnostik zu den klassischen Untersuchungsmethoden ionisierter Gase Emissionsspektroskopie (OES) Absorptionsspektroskopie Laser-induzierte Fluoreszenz (LIF)

26 Plasmadiagnostik Optische Spektrografie Massenspektrografie Entlade-Kennlinien Tieftemperaturplasmen Sondenspektroskopie Plasmaabschirmung Mikrogravimetrie Feste Oberflächen Infrarotspektroskopie Oberflächenanalyse Ellipsometrie

27 Plasmadiagnostik Ungeerdete Sonde Sondendiagnostik

28 Plasmadiagnostik Ungeerdete Sonde Ungeerdete Sonde Die Wand lädt sich auf, bis der Ionenfluss gleich dem Elektronenfluss ist: j i = n ie 0 v i = j 4 e = n ee 0 v e 4 Es bildet sich eine Randschicht um die Sonde mit der Elektronendichte und dem Potential n e = n i e V pl V fl e 0 k B T e V bias = V fl V pl = k BT e 2 ln m i m e

29 Plasmadiagnostik Langmuir-Sonde Sondendiagnostik Z a - +

30 Plasmadiagnostik Langmuir-Sonde Sondendiagnostik U

31 Plasmadiagnostik Langmuir-Sonde Sondendiagnostik Aus und d 2 I du 2 = KONST n eaf U 0 f U UdU = 1 folgt die Elektronendichte n e = KONST A 1 0 U d2 I du 2 du

32 Plasmadiagnostik Langmuir-Sonde Sondendiagnostik Für die Elektronen-Energieverteilung gilt u e = 0 0 U 3 2 d2 I du 2 du d U 2 I du 2 du

33 Plasmadiagnostik Thermosonde Rohr Isolation Sondendiagnostik Abschirmung Substrat Sättigungsstrom Thermoelement

34 Plasmadiagnostik Thermosonde Sondendiagnostik

35 Plasmadiagnostik Thermosonde plasma on : (Q in > 0) H s heat = Q in Q out plasma off : (Q in = 0) H s cool = Q out Sondendiagnostik Q in = H s heat H s cool Mit H s = mc dt s dt folgt Q in = mc dt s dt heat dt s dt Energieeinstrom cool T

36 Plasmadiagnostik Optische Emissionsspektroskopie

37 Weitere Methoden der Plasmadiagnostik SEERS (Elektronen) Plasma-Photometrie (Anregung, Energie) Massenspektrometrie, Plasmamonitoring (Neutrale, Ionen) Gaschromatographie (Neutrale) Messungen mit Faraday-Cups (Ionen) Messungen des Energieeinstroms (Energieflüsse) Mikrowellendiagnostik (Elektronen) Thomson-Streuung (Elektronen) etc.