Untersuchungen zur Kollision und Kompression von Plasmen koaxialer Beschleuniger

  • Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, Plasmen koaxialer Beschleuniger in Hinblick auf die Erzeugung hoher Elektronendichten sowie als intensive UV/VUV-Backlighterquelle zu untersuchen. Hierzu wurde zunächst die Geometrie eines einzelnen Beschleunigers charakterisiert und optimiert, um die bestmöglichen Voraussetzungen für die anschließend durchgeführten Untersuchungen zur Kollision und Kompression der erzeugten Plasmen zu schaffen. Das Funktionsprinzip des verwendeten Plasmabeschleunigers basiert auf einer Lorentzkraft, die aus dem Stromfluss zwischen zwei koaxial angeordneten Elektroden und dem damit verbundenen Magnetfeld resultiert. Da weder Stromdichte noch Magnetfeld homogen sind, wirkt auch die Lorentzkraft inhomogen auf die Plasmaschicht. Unter Einbeziehung von Simulationen wurde der Abstand zwischen den Elektroden auf 2,5 mm gesetzt, sodass die Ausprägung dieser Inhomogenität möglichst gering gehalten wird. Um ein Pinchen des Plasmas am Ende der Elektroden zu vermeiden haben die Elektroden im Gegensatz zu Plasma Focus Devices die gleiche Länge. Der mit 130 nH niederinduktive elektrische Aufbau ermöglicht die zur Ausbildung einer Plasmaschicht erforderlichen Stromanstiegsraten in der Größenordnung von 10^11 A/s. Die Messung der Geschwindigkeit der Plasmaschicht erfolgte mit einem Array aus sechs Dioden, die gleichzeitig die Geschwindigkeitsabnahme im Rezipienten dokumentieren. Zusätzlich wurden die Messungen mit Kameraaufnahmen verglichen. Bei einer Elektrodenlänge von 100 mm konnten mit dem verwendeten Heliumgas Schichtgeschwindigkeiten von bis zu (79,49 ± 7,98) km/s erreicht werden. Die Untersuchung von Elektroden mit 200 mm Länge verfolgte das Ziel, durch die größere Beschleunigungszeit höhere Geschwindigkeiten und kinetische Energien der austretenden Plasmaschicht zu erreichen. Es zeigte sich jedoch, dass es hierbei zur Ausbildung einer zweiten Entladung und einer damit verbundenen Abbremsung des Initialplasmas kommt. Die Untersuchungen ergaben, dass die optimale Elektrodenlänge dadurch gegeben ist, dass der Austritt des Plasmas aus dem Beschleuniger zum Zeitpunkt des ersten Stromnulldurchgangs erfolgt. Für die Berechnung der optimalen Elektrodenlänge wurde ein Skalierungsgesetz gefunden, die auf experimentellen Ergebnissen und Simulationen basiert. Mit spektroskopische Messungen der Stark-Verbreiterung der Hβ-Linie konnte die Elektronendichte des Plasmas zeit- und ortsintegriert bestimmt werden. Die hierbei erzielte Maximaldichte von (6,83 ± 0,83) · 10^15 cm^-3 wurde bei 9 kV und 70 mbar gemessen. Die nach der Boltzmann-Methode zeit- und ortsintegriert bestimmten Elektronentemperaturen bewegt sich bei etwa 1 eV. Nach ausreichender Charakterisierung des Einzelbeschleunigers wurde das Experiment um einen zweiten, baugleichen Plasmabeschleuniger erweitert, um die planare Kollision zweier Plasmen zu untersuchen. Die maximal gemessene Elektronendichte von n max e = (1,36 ± 0,21) · 10^16 cm^-3 bei 9 kV und 70 mbar stellt im Vergleich zum Einzelplasma eine Steigerung um einen Faktor von 2,48 dar und ist mit einer Temperaturerhöhung einhergehend. Diese Elektronendichteerhöhung lässt sich nicht durch einfaches Durchdringen der Schichten erklären. Vielmehr muss es in der Kollisionszone zu Wechselwirkungsprozesse in Form von Kompression, zur Erzeugung neuer Ladungsträger oder der Kombination aus beidem kommen. Das Spektrum im UV/VUV-Bereich weist Linien von ab 85 nm auf. Dies stellt eine Verbesserung gegenüber dem Einzelbeschleuniger dar, bei dem die hochenergetischste Spektrallinie erst bei 97 nm gemessen wurde. In der Kollisionskonfiguration mit einem Beschleunigerabstand von 30 mm steigt die integrierte Gesamtintensität des Spektrums bis 300 nm zudem um einen Faktor von etwa 5,2. Als Alternative zur Plasmakollision wurde die Kompression des Plasmas des Einzelbeschleunigers durch unterschiedliche Trichtergeometrien untersucht. Die untersuchten Trichter der ersten und zweiten Generation unterscheiden sich im Wesentlichen im Durchmesser der kleineren Öffnung. Dieser wurde basierend auf Simulationen von 5 mm auf 0,5 mm reduziert. Die Dichtediagnostik der ersten Trichtergeneration erfolgte hierbei über Hα-Linie, da die Verbreiterung der Hβ-Linie zu stark und daher nicht mehr anwendbar war. Die Auswertung der Halbwertsbreiten der Hα-Linie führt zu Elektronendichten in der Größenordnung von bis zu 1018 cm−3 bei Spannungen von 9 kV. Diese Steigerung um 1,5 bis 2,5 Größenordnungen im Vergleich zum Einzelbeschleuniger ist deutlich höher als das Verhältnis der Flächen des initialen Plasmas bzw. dem Ende des Trichters von etwa acht. Der Trichter mit verringerter Öffnung wurde bei 5 kV und 5 mbar vermessen, um die mechanische Belastung durch den hohen Druck gering zu halten. Die Bestimmung der Elektronendichte erfolgte durch die Verbreiterung der Kupferlinie bei 479,4 nm nach den quadratischen Stark-Effekt. Trotz der im Vergleich zur ersten Trichtergeneration reduzierten Entladungsenergie und verringertem Druck sind die gemessenen Elektronendichten ebenfalls bei bis zu 10^18 cm^-3. Durch die Kompression des Plasmas weist das Spektrum im UV/VUV-Bereich bereits Linien ab Wellenlängen etwa 53 nm auf, wobei es unter Berücksichtigung der Transmissionsgrenze von Helium bei 50 nm denkbar ist, dass das Plasma noch niedrigere Wellenlängen emittiert. Aufgrund der gesammelten Ergebnisse lässt sich festhalten, dass sich die Elektronendichte sowohl durch die Kollision zweier Plasmen als auch durch die Kompression in Trichtergeometrien steigern lässt. Der Verdichtungseffekt der Trichterkompression ist hierbei um ein vielfaches höher, als bei der Plasmakollision. Dies spiegelt sich auch im UV/VUV-Spektrum wider. Beide Versuchsanordnungen eignen sich als Linienstrahler, allerdings weist das Spektrum der Trichterkompression Linien deutlich höherer Anregungszustände auf.

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Metadaten
Author:Thomas Manegold
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-453455
Referee:Joachim Jacoby, Ulrich Ratzinger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2017
Year of first Publication:2017
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2017/12/13
Release Date:2018/01/23
Page Number:161
Note:
Die vorliegende Fassung vom 10.12.2017 stimmt inhaltlich mit der am 09.06.2017 eingereichten Fassung überein und wurde in Hinblick auf Druckfehler überarbeitet.
Note:
Diese Dissertation steht außerhalb der Universitätsbibliothek leider (aus urheberrechtlichen Gründen) nicht im Volltext zur Verfügung, die CD-ROM kann (auch über Fernleihe) bei der UB Frankfurt am Main ausgeliehen werden.
HeBIS-PPN:425254283
Institutes:Physik / Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
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