Non-Neutral Plasma Physics

Institute of Applied Physics | Goethe-University Frankfurt

Willkommen auf den Seiten der NNP-Forschungsgruppe

Wir erforschen verschiedene Ensembles von gleichen, geladenen Teilchen, deren Dynamik durch ihre Wechselwirkung untereinander und durch äußere elektrische und magnetische Felder bestimmt ist. Diese Ensembles können in Form von Wolken in speziellen Fallen eingeschlossen oder als Strahl erzeugt, transportiert und beschleunigt werden. In diesem Forschungsfeld wird die Elektrodynamik eng mit der Thermodynamik verknüpft und unter bestimmten Bedingungen werden Phänomene der Quantenmechanik und der Relativitätstheorie von Bedeutung. Bei unserer Forschung verbinden wir Theorie, numerische Methoden und die experimentelle Arbeit im Labor und suchen nach möglichen zukünftigen Anwendungen unserer Erkenntnisse.

Was ist ein nicht-neutrales Plasma?

Ein Ensemble aus gleichen Ladungsträgern, z.B. Elektronen befinden sich im Aggregatzustand Plasma, wenn es während der Beobachtungsdauer im thermischen Gleichgewicht ist. Deshalb ergeben sich im folgenden Phasendiagramm je nach experi- mentellen oder theoretischen Randbedingungen Bereiche unterschiedlicher Dichte und Temperatur in denen verschiedene Plasmen definiert werden können.

Phasendiagramm
Abb.1: Phasendiagramm mit exemplarischen Beispielen für Plasmen

Wirkt auf ein Plasma eine Störung ein, finden Ausgleichsprozesse statt, um wieder ein stabiles Gleichgewicht zu erreichen. Der Kehrwert aus der Zeit, die dafür benötigt wird, multipliziert mit \( 2 \pi \) ergibt die Plasmafrequenz: \[ \omega_p = \sqrt{\frac{e^2 n_e}{\epsilon_0 m_e}} \] Ein Gleichgewicht kann sich aber nur eingestellt haben, wenn die Existenz des Plasmas oder die Beobachtungsdauer \( \tau \) hinreichend groß ist, so dass die Relation \( \omega_p \tau >> 1 \) erfüllt ist. Lokale Störungen hingegen werden im Plasma räumlich durch eine Umverteilung der Ladungen ausge- glichen. Diese Abschirmung findet innerhalb einer charakteristischen Länge, der Debye-Länge \[ \lambda_D = \sqrt{\frac{\epsilon_0 k_b T_e}{e^2 n_e}} \] statt. Die räumliche Ausdehnung \( L \) des Plasmas muss somit hinreichend groß sein, damit die Relation \( \frac{L}{\lambda_D} >> 1 \) erfüllt ist und sich ein Gleichgewichtszustand einstellen kann. Wird angenommen, dass die Debye-Abschirmung in einem Volumen erfolgt, so müssen innerhalb dieses Debye-Volumens hinreichend viele Ladungen vorhanden sein, um die entsprechenden Ausgleichsprozesse zu ermöglichen. Es muss deshalb die Relation \( \lambda_D^3 n_e >> 1 \) erfüllt sein. Der Index „e“ kennzeichnet die relevanten Größen eines Elektronenensembles, da entweder diese Fraktion in quasineutralen Plasmen die Dynamik bestimmen oder pure Elektronenplasmen z.B. von unserer Forschungsgruppe studiert werden.
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Unsere Forschungsschwerpunkte

Unsere Forschungsinteressen lassen sich grob in vier Bereiche einteilen, die aber untereinander Verknüpft sind.

Für den statischen Einschluss entwickeln und konstruieren wir Gabor-Linsen. Diese sind Fallen für nicht-neutrale Plasmen, die es zusätzlich ermöglichen einen Partikelstrahl axial durch das eingeschlossene Plasma zu transportieren. Dabei kann die Wechsel- wirkung zwischen beiden Fraktionen studiert werden. Außerdem ermöglichen Gabor-Linsen einen sehr guten Zugang zum eingeschlossenen Plasma, um mit verschiedenen Diagnosekonzepten die Ensembles zu studieren.

Intensive Ionenstrahlen haben eine große Bedeutung in der Hochenergiephysik und in technischen oder medizinischen Anwendungen. Die Stromstärke oder die Kompression des Strahles durch Fokussierung entscheidet, ob der Strahl die Bedingungen erfüllt, um den Plasmazustand zu erreichen. Eine Vielzahl kollektiver Effekte können sich dadurch im Strahl ausprägen.

Kollektive Phänomene lassen sich in Ionenstrahlen nur sehr schwer untersuchen, da die Transitzeit durch den Linearbeschleuniger sehr viel kürzer ist als deren Aufbauzeit. Deshalb untersuchen wir Konzepte, die es ermöglichen sollen sehr intensive Ionenstrahlen möglichst lange z.B. in einem Ring oder Torus zu speichern.

Um Informationen über den Zustand der von uns untersuchten nicht-neutralen Plasmen zu erhalten, nutzen und entwickeln wir Diagnoseverfahren, die Messungen ermöglichen, ohne dabei große Störungen des Ensembles zu verursachen. Aufgrund der Ausgleichsprozesse in den Plasmen, können Messungen nur mit sehr großer Sorgfalt und mit minimaler Wechselwirkung zwischen Instrument und Plasma verlässliche Ergebnisse liefern.

Insbesondere an den Schnittstellen zwischen den Bereichen ergeben sich sehr interessante Aspekte, die sich auch im Rahmen von Kollaborationen mit anderen Forschungseinrichtungen untersuchen lassen.
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