Dynamical effects in fluid complex plasmas [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Mierk Schwabe

Mierk Schwabe

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• Physik

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 6
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 14 Mo

Extrait

Dynamical e ects in
uid complex plasmas
Mierk Schwabe
Munchen 2009Dynamical e ects in
uid complex plasmas
Mierk Schwabe
Dissertation
an der Fakult at fur Physik
der Ludwig{Maximilians{Universit at
Munc hen
vorgelegt von
Mierk Schwabe
aus Preetz
Munc hen, den 28.08.2009Erstgutachter: Prof. G. E. Mor ll
Zweitgutachter: Prof. D. Habs
Tag der mundlic hen Prufung: 24. 11. 2009Contents
Zusammenfassung ix
Abstract xi
Glossary xiii
1 Introduction 1
1.1 Dusty plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Strong coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 The in uence of gravity on complex plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.1 Thermophoretic force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2 Parabolic ights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.3 Experiments on board the space stations . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Complex plasmas as model systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.1 Similarity parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.2 Hydrodynamic instabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5 Complex plasma modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5.1 Self-excited dust density waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5.2 Externally excited dust density waves . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6 Fluid e ects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.6.1 Drops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.6.2 Bubbles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.6.3 Bubbles and drops in complex plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.7 Contributions of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 Theory 19
2.1 Weakly ionized plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1.1 Sheaths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.2 Screening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.3 Radio-frequency plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Complex plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.1 Charging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.2 Forces on isolated grains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.3 Interparticle forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.4 Dust-acoustic waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
vContents
3 Experimental setup and analysis 37
3.1 PK-3 Plus laboratory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 Temperature gradients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.1 Vertical temperature gradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.2 Horizontal temperature gradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3 Analysis techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.1 Periodgrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.2 Particle tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4 Measurement uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4.1 Pixel noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4.2 Pixel locking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4.3 Errors of the particle identi cation routine . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.4 Errors from poor statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4 Experiments 49
4.1 Self-excited dust density waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1.1 Observations during a parabolic ight . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1.2 Observ on ground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.3 Critical pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.1.4 Excitation mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.1.5 Wave parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1.6 Particle dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.7 Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.8 Charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2 Waves under microgravity conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.1 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.2 Analysis techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2.3 Measurement accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2.4 Wave parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.2.5 Particle dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3 Microparticle bubbles, blobs, and surface cusps . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.1 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.2 Hydrodynamic stability and analogies . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3.3 Experiments under microgravity conditions . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.4 Particle dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.5 Creep e ects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.3.6 Rayleigh-Taylor model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5 Summary and outlook 95
A Other charging mechanisms 99
viContents
B Simulation of temperature gradient 101
List of Figures 103
List of Tables 105
Bibliography 107
Curriculum vitae 124
Publications 127
Acknowledgments 129
viiContents
Zusammenfassung
Komplexe Plasmen bestehen aus Neutralteilchen, Ionen, Elektronen und zusatzlic hen Mi-
kroteilchen. Flusse der Plasmateilchen auf die Mikroteilchen laden sie auf, und die Teilchen
wechselwirken miteinander. Wird das System z.B. mit einem Laser beleuchtet, ermoglic hen
Aufnahmen des gestreuten Lichts vollstandig aufgeloste kinetische Untersuchungen auf al-
len relevanten Frequenzen, z.B. der Einstein-, Debye- und Plasmafrequenz.
In dieser Arbeit werden dynamische E ekte in uiden komplexen Plasmen im PK-3
Plus Aufbau, der aus einer Radiofrequenz-Plasmakammer besteht, auf der Internationalen
Raumstation (ISS), wahrend eines Parabel ugs und auf dem Boden untersucht. Ziel ist die
Erforschung von dynamischen Phanomenen auf dem Partikelniveau, z.B. um zu eruieren,
ab wann \korpuskulare" E ekte wichtig werden und wann die klassische Fluiddynamik
eine adaquate Beschreibung liefert. Dazu werden \Periodgramme" verwendet, die eine
Untersuchung der globalen dynamischen Struktur ermoglic hen. Geschwindigkeiten und
Krafte auf einzelne Teilchen werden durch Analyse der Teilchenbewegung studiert.
Hochaufgeloste selbstangeregte Wellen wurden mit Experimenten im Labor auf dem
Boden analysiert, in denen die Stark e der Kraft, die die Teilchen in die Randschichtberei-
che der Kammer druckt, durch Thermophorese kontrolliert wurde. Die Selbstanregung der
Wellen ist auf die freie Energie der Ionen zuruc kzufuhren, die besonders in der Randschicht
schnell durch die Mikroteilchenwolke stromen. Dieser Mechanismus erklart ebenfalls die be-
obachtete Druckabhangigkeit der Anregungsschwelle. Mithilfe eines einfachen Modells der
Mikroteilchendynamik ist es moglich, die Ladung der Teilchen abzuschatzen, die gut mit
der vorhergesagten Ladung ub ereinstimmt. Selbstangeregte Wellen wurden weder durch
Drucksenkung wahrend des Parabel ugs induziert, noch dann, wenn die Teilchen durch
die Thermophorese in der Mitte der Kammer levitiert wurden.
Mikroteilchenwellen in einem schwerelosen komplexen Plasma auf der ISS wurden durch
eine Modulationsspannung extern angeregt. Zusatzlich zur vertikalen Oszillation mit der
Anregungsfrequenzf p anzten sich Wellen in der vertikalen und horizontalen Richtungmod
fort. Die horizontalen Schwingungen hingen nicht von f ab. Als f mit der Fre-mod mod
quenz der horizontalen Wellen in Resonanz war, begann die Region der vertikalen Wellen,
sich schrag in Richtung des Wolkenrands auszubreiten. Die Dispersionsrelation war quasi-
schallartig. Umf = 9 Hz war die Wellenaktivitat auf die ganze Lange der Wolke verteilt.mod
Bei hoheren Frequenzen verschwanden die schragen Wellen wieder. Die Teilchendynamik
war ahnlic h der in selbstangeregten Wellen im Experiment unter Gravitationsbedingungen.
Unter ahnlichen Bedingungen wie bei den selbstangeregten Wellen trat ein neues Phano-
men nahe der Ober ache der Teilchenwolke auf|die Bildung von Teilchenblasen, -tropf-
chen und -spitzen. Das Verhalten der Mikroteilchen, z.B. Zerfallsmechanismen und Vor-
texbewegungen in den Tropfen betre end, ahnelte dem der Molekule in Flussigkeitstropfen
sowie sedimentierenden Teilchen. Die Druckabhangigk eit der Teilchengeschwindigkeit ist
mit einem moglichen Kriech uss des Gases in der Kammer kompatibel. Diverse E ek-
te deuten auf das Vorhandensein von Ober