Kühlung der Elektronenkomponente im Afterglowplasma bei niedrigem Druck
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Vorhaben konzentrierte sich auf die Zielsetzung, mittels einer Plasmabeschreibung neue Erkenntnisse zur Kinetik von Elektronen und angeregten Atomen in verlöschenden Niederdruckplasmen. zu gewinnen. Als Beispiel wurde ein Argonplasma im Druckbereich von einigen Pa bis zu einigen 100 Pa betrachtet, das sich zwischen planparallelen Platten nach induktiver Anregung ausbildet. Die Konfiguration orientierte sich an typischen Bedingungen in einem Radiofrequenzreaktor. Neben der Analyse der plasmaphysikalischen Prozesse wurde das Ziel verfolgt, verbesserte Verfahren zur Beschreibung anwendungsrelevanter gepulster Niederdruckplasmen bereitzustellen. Es wurde ein Plasmamodell entwickelt, das eine detaillierte Beschreibung der zeit- und raumabhängigen Elektronenkinetik, der Raumladungshalterung und ein Stoß-Strahlungsmodell der angeregten Atome in Argon vereint. Das Plasmamodell wurde sowohl für die aktive Phase des induktiv gekoppelten Plasmas als auch für die Afterglowphase adaptiert und angewendet. Notwendig war die Erarbeitung eines neuen Verfahrens zur Lösung der kinetischen Gleichung der Elektronen. Das auf der mchtlokalen Näherung basierende Verfahren ermöglicht insbesondere die Erfassung der Radiofrequenzheizung, der Elektronenproduktion im Volumen, ihres diffusiven Abflusses, eines zeitlich variierenden Raumladungspotenzials und der Interelektronenwechselwirkung. Für das Beispiel Argon wurde ein neues und detailliertes reaktionskinetisches Modell entwickelt, dessen Ergebnisse für die Dichten angeregter Atome im Rahmen der Plasmagesamtbeschreibung erfolgreich mit vorliegenden spektroskopischen Messungen validiert werden konnten. Um auch eine hinreichende Übereinstimmung im räumlichen Verlauf der Dichten der Resonanzatome zu erreichen, war der Strahlungstransport genauer zu behandeln. Hierfür wurde eine Methode zur Lösung der Strahlungstransportgleichung für Resonnanzstrahlung mit Lorentzprofil in axialer Geometrie entwickelt, welche universell einsetzbar ist. Die aus Experimenten und einfacheren Modellen bereits bekannte effektive Kühlung der Elektronenkompenente bei nur langsamer Abnahme der Elektronendichte im Afterglow einer Edelgas-Niederdruckentladung konnte in guter Übereinstimmung mit Sondenmessungen beschrieben werden. Die Kühlung beruht wesentlich auf dem Abtransport von höherenergetischen Elektronen zu den Wänden gemäß der Halterung im Raumladungspotenzial, dessen zeitlicher Abfall ebenfalls erfasst wurde. Die Wechselwirkung dieser diffusiven Kühlung mit den konkurrierenden Stoßprozessen im Volumen, welche höherenergetische Elektronen erzeugen, sowie mit der Interelektronenwechselwirkung konnte im Detail analysiert werden. Der signifikante Einfluss der Prozesse angeregter Atome auf die Plasmaeigenschaften über einen, großen Druckbereich wurde am Beispiel des Argons nachgewiesen. Insbesondere ergaben sich wesentliche Beiträge von Chemoionisation, Gasrückheizung und superelastischen Prozessen in der Energiebilanz der Elektronen im verlöschenden Plasma. Die Bedeutung des Resonanzstrahlungstransports und seiner hinreichend exakten Beschreibung zur quantitativen Erfassung der Dichten aller unteren Anregungsniveaus und ihrer räumlichen Profile in Niederdruckplasmen wurde gezeigt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- S. Gorchakov, D, Loffhagen, D. Uhrlandt, Role of excited atoms in decaying low-pressure argon plasma, Phys. Rev. E 74 (2006), 066401-1 -10.
- S. Gorchakov, D. Loffhagen, D. Uhrlandt, Modelling of low-pressuure afterglow argon plasma: the role of argon kinetics XVIIIth ESCAMPIG, Lecce/Italy 2006, Europhysics Conference Abstracts, 30 G 227-228.
- S. Gorchakov, D. Loffhagen, D. Uhrlandt, Study of the non-local kinetics of the electrons in a decaying low-pressure argon plasma, XVIth Int. Conf. on Gas Discharges and their Applications, Xi'an, China 2006, Proceedings 1 481-484.
- S. Gorchakov, D. Uhrlandt, Non-local kinetics of the electrons in a low-pressure afterglow plasma, XXVIInd ICPIG, Eindhoven/The Netherlands 2005, el Proceedings 03-207.
- S.Gorchakov, D. Uhrlandt, M. J. Hebert, U.Kortshagen, Nonlocal kinetics of the electrons in a low-pressure afterglow plasma, Phys. Rev. E 73 (2006), 056402-1 - 9.
- Yu. Golubovxkii, S.Gorchakov, D. Loffhagen, D. Uhrlandt, Influence of the resonance radiation transport on plasma parameters, Eur. Phys. J, Appl. Phys. 37 (2007), 101 -104.
