Entwicklung und plasmaphysikalische Untersuchung eines Plasmafensters zur Erzeugung hoher Druckunterschiede

Als Plasmafenster wird ein Aufbau bezeichnet, welcher zwei Bereiche unterschiedlicher Drücke voneinander trennt, Teilchenstrahlen jedoch nahezu verlustfrei passieren lässt.
Diese Anwendung einer kaskadierten Bogenentlad
Als Plasmafenster wird ein Aufbau bezeichnet, welcher zwei Bereiche unterschiedlicher Drücke voneinander trennt, Teilchenstrahlen jedoch nahezu verlustfrei passieren lässt.
Diese Anwendung einer kaskadierten Bogenentladung wurde von A. Hershcovitch vorgeschlagen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein solches Plasmafenster mit Kanaldurchmessern von 3.3 mm und 5.0 mm aufgebaut sowie die erreichbaren Druckunterschiede untersucht.
Auf der Bestimmung des Einflusses der Plasmaparametern und deren Abhängigkeit von äußeren Parametern auf die erreichbare Trennung der Druckbereiche liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit.
Ein ausgeklügeltes optisches System ermöglicht die simultane Aufnahme mehrerer Spektren entlang der Entladungsachse, welche die gleichzeitige Bestimmung der Elektronendichte und -temperatur ermöglichen.
Für die Analyse der Plamaparameter aus über 6700 Spektren wird eine selbst entwickelte Software genutzt.
Die gemessenen Elektronendichte reicht von 8e14 cm^-3 bis zu 4.2e16 cm^-3.
Sie skaliert sowohl mit der Entladungsstromstärke als auch dem Teilchenfluss.
Für die Elektronentemperatur stellen sich Werte zwischen 1 eV und 1.3 eV ein, sie variiert nur leicht mit der Stromstärke und dem Teilchenfluss.
Wie später gezeigt wird, stimmen die hier präsentierten Daten gut mit Ergebnissen aus Simulationen und Experimenten anderer Arbeitsgruppen überein.
Als Betriebsgas wurde eine 98%Ar-2%H2 Mixtur genutzt, da die Stark-Verbreiterung der H-beta-Linie sowie die physikalischen Eigenschaften von Argon gut beschrieben sind und somit eine akkurate Elektronendichte- und -temperaturbestimmung ermöglichen.
Während die Drücke auf der Niederdruckseite einigen mbar entsprechen, werden auf der Hochdruckseite Drücke bis zu 750 mbar bei Teilchenflüsse zwischen 4.5e20 s^-1 und 18e20 s^-1 sowie Stromstärken von 45 A bis 60 A erreicht.
Die erzielten Druckverhältnisse entsprechen Werten zwischen 40 und 150, was eine Steigerung um einen Faktor von bis zu 12 gegenüber dem Druckverhältnis einer einfachen differentiellen Pumpstufe entspricht.
Zusätzlich zur Trennung der Druckbereiche kann am vorgestellten Experiment die Starkverbreiterung von Emissionslinien untersucht werden.
Vorteilhaft gegenüber anderen Aufbauten ist hier die Möglichkeit, zeitgleich Spektren unterschiedlicher Elektronendichten aufzunehmen.
Die entwickelte Software ist in der Lage, akkurate Halbwertsbreiten zu bestimmen und daher für eine solche Anwendung gut geeignet.
Alleinstellungsmerkmale dieses Aufbaus sind unter anderem die angesprochene Möglichkeit der simultanen Bestimmung von Plasmaparamertern und Linienverbreiterungen sowie der Verzicht auf Keramikisolatoren zwischen den Kühlplatten des Aufbaus.
Optische Analysen ergaben keine signifikante Schädigung der Bestandteile des Aufbaus nach einer Betriebsdauer von über 10 h; einzig die Kathodenspitzen müssen alle 5 h ausgetauscht werden.
Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeit wurden eine Master- sowie Bachelorarbeit betreut und erfolgreich zum Abschluss gebracht.
Wie im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, ist das entwickelte Plasmapfenster in der Lage, zwei Bereiche unterschiedlicher Drücke zu trennen und diese Trennung sicher aufrecht zu erhalten.
Die zugrundeliegenden Plasmaparameter sind erforscht und ihr Einfluss auf die Trennungseigentschaft des Plasmafensters beschrieben.
Als nächsten Schritt bietet sich die Erschließung technischer Einsatzmöglichkeiten des Plasmafensters an, so könnte dieses als Plasmastripper oder zum Schutz einer Beschleunigerstruktur vor durch Kollisionsexperimente entstandene radioaktive Isotope oder Sekundärteilchen.
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Metadaten
Author:Bernhard Friedrich Bohlender
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-516426
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Joachim Jacoby, Oliver Kester
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2019/04/11
Year of first Publication:2019
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2019/10/29
Release Date:2019/11/07
Pagenumber:150
HeBIS PPN:455162409
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

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