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Du, Chengran (2013): Nonequilibrium phase transition in binary complex plasmas. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Komplexe Plasmen sind Systeme bestehend aus schwach ionisierten Gasen und mesoskopischen Partikeln. Partikel in einem Plasma erhalten ihre Ladung hauptsächlich durch den Fluß von Ionen und Elektronen auf denen Oberflächen. Abhängig von der Teilchengröße und den Plasmabedinungen kann die Ladung pro Teilchen mehrere tausend Elementarladungen betragen. Da das Hintergrundgas sehr dünn ist, können Partikelsysteme unabhängig von dem Plasma betrachtet werden. In vielen Fällen kann das Partikelwechselwirkungspotential als Yukawapotential angenähert werden, welches im Wesentlichen ein abgeschirmtes Coulombpotential ist. Kapitel 1 ist eine kurze Einleitung in die theoretischen Konzepte komplexer Plasmen. Aufgrund der Bedeutung des Mechanismus, beginne ich diese Arbeit mit der Diskussion der Teilchenladung für zwei verschiedene Situationen in Kapitel 2. Zunächst beschreibe ich ein einzigartiges Experiment, die "Coulomb-Explosion", zur Messung der Teilchenladung tief in der Plasmarandschicht. Ein Hybrid-Analyseverfahren, bestehend aus Teilchenverfolgung, MD und PIC Simulationen, wurde angewendet um die Ladung im Anfangsstadium der Explosion abzuschätzen. Dieses wird mit einer theoretische Methode zur Bestimmung der Partikelladung im Bulk-Plasma bei verschiedenen Entladungsfrequenzen ergänzt. Die Abhängigkeit der Partikelladung von der Entladungsfrequenz wird bei drei verschiedenen Drücken gezeigt. Das verwendete Modell ist hilfreich um die Veränderung der Teilchenladung in Abhänigkeit der Entladungsfrequenz abzuschätzen. Die hohe Teilchenladung und die damit verbundene abstoßende Teilchenwechselwirkung verhindern Partikelagglomeration. In Kapitel 3 stelle ich ein Experiment vor, in dem Partikelagglomeration durch selbst-angeregte Wellen induziert wird. Innerhalb der Wellen werden die Teilchen derart beschleunigt, dass das abstoßende Potential durch die erhöhte kinetische Energie überwunden werden kann. Die resultierenden Agglomerate werden mit einem "Long-Distance" Mikroskop überprüft. Im Folgenden stelle ich ein System binärer komplexer Plasmen vor. Unter bestimmten Bedingungen können monodisperse Partikel in einer Monolage eingefangen werden. Die Teilchen ordnen sich in einem Dreiecksgitter mit hexagonaler Symmetrie an. Dies ist als 2D Plasmakristall bekannt. Wenn ein sich bewegendes, einzelnes Teilchen einer anderen Spezies in das System eingeführt wird, verursacht es eine Störung des Kristallgitters. In Kapitel 4 werden die Untersuchungen der Wechselwirkung des Kristallgitters mit einem sich oberhalb des Gitters (stromaufwärts des Ionenflusses) befindlichen Teilchens diskutiert. Dieses zusätzliche Partikel erzeugt einen Mach-Kegel, da es sich mit einer Geschwindigkeit, schneller als der Schall in dem System bewegt. Das stromaufwärts befindliche Teilchen neigt dazu sich zwischen Reihen von Teilchen in dem Gitter zu bewegen, was als "Channeling-Effekt" bekannt ist. Wenn Teilchen einer Spezies eine Partikelwolke einer anderen durchdringen, bilden sowohl die durchfliessende als auch die durchflossene Teilchenwolke Kettenstrukturen ("Lanes") aus. In komplexen Plasmen ist die Wechselwirkung verschiedener Partikel immer stärker abstoßend als das geometrische Mittel der Wechselwirkung gleicher Partikel. Diese Asymmetrie in der gegenseitigen Wechselwirkung heißt "Positive nicht-Additivität". Deren Grad wird von dem nicht-Additivitäts Parameter bestimmt. In Kapitel 5 beschreibe ich zuerst die Ergebnisse von Langevin-Simulationen, um die Abhängigkeit der "Lane - Formation" von dem nicht-Additivitäts Parameters zu studieren. Weiterhin wurde die Rolle des Anfangszustands numerisch untersucht. Zusätzlich wurde eine Reihe umfassender Experimente zur "Lane - Formation" an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) durchgeführt. Die Auswertung der Experimente konzentrierte sich auf die Struktur der durchflossenen Teilchen. Der Einfluss der Partikeldichten und -größe wurden untersucht. Das Studium zweier aufeinanderfolgenden Durchdringungen offenbarte einen "Memory-Effekt" in der Kettenstruktur. Zusätzlich wurde ein Übergang von freier "Lane-Formation" zu einem, von Entmischung dominierten, Zustand des Nichtgleichgewichtsystems innerhalb einer Experimentreihe beobachtet. Schließlich stelle ich einen ergänzenden Versuch zur "Lane-Formation" in erdgebundenen Experimenten vor. Die Schwerkraft wurde hier durch thermophoretische Kräfte kompensiert. In dieser Versuchsreihe konnten die durch unregelmässige Teilchengeschwindigkeiten und Inhomgenitäten in der durchflossenen Teilchenwolke entstehenden Nachteile erfolgreich überwunden werden. Mit diesem Modell-System kann die "Lane-Formation" im Detail untersucht werden und die Ergebnisse mit denen numerischer Simulationen und denen aus Experimenten in Kolloiden verglichen werden.

Abstract

Complex plasma is a system composed of weakly ionized gas and mesoscopic particles. The particles are charged mainly by absorbing ions and electrons in the plasma. The charge can reach several thousands of elementary charges depending on the particle size and plasma conditions. Since the background gas is dilute, we can treat the charged particles as a system independent from the plasma. In many cases, the interparticle interaction can be approximated as Yukawa potential, which is essentially a screened Coulomb interaction. A brief introduction covering some basic theoretical aspects of complex plasma is given in Chapter 1. Because of the importance of the particle charging mechanism, we start this thesis with studying particle charge under two situations in Chapter 2. First we introduce a unique experiment of Coulomb "explosion" to measure the particle charge deep in the sheath. A hybrid analysis method composed of particle tracking, molecular dynamics simulation and particle-in-cell simulation is applied to estimate the particle charge at the initial stage of the "explosion". Second we develop a theoretical method to calculate the particle charge in the bulk plasma with different discharge frequencies. We show the dependence of particle charge on the discharge frequency at three different gas pressures. The model is rather simple and thus we can use it for preliminary estimation of the change of particle charge as a result of changing the discharge frequency. Since the particles are heavily charged, the repulsive interparticle interactions prevent particle agglomeration. In Chapter 3 we introduce an experiment to realize particle agglomeration, which is induced by self-excited waves. In the waves the microparticles are accelerated so that the repulsive potential can be overcome by the kinetic energy. We verify the results by using a long-distance microscope. We then start to study a system of binary complex plasmas. Under certain conditions, monodisperse microparticles can be confined in a monolayer, self-organizing in a triangular lattice with hexagonal symmetry. This is known as 2D plasma crystal. If a moving single particle of another species is introduced into the system, it creates a disturbance on the crystal lattice. In Chapter 4, we study the interaction of the crystal lattice with a particle moving above it (upstream of the ion flow). This extra particle generates a Mach cone as it moves faster than the sound speed. It turns out that the upstream particle tends to move between rows of particles in the lattice layer, which is known as "channeling" effect. As particles of one species penetrate into a particle cloud of another species, both the penetrating particles and background particles form lane structure. For microparticles of two species, the interspecific interaction is always more repulsive than the geometric mean of two intraspecific interactions. This asymmetry in the mutual interaction is called "positive non-additivity" and its degree is measured by the non-additivity parameter. In Chapter 5 we first employ Langevin dynamics simulation to study the dependence of lane formation on positive non-additivity parameter. The role of initial condition has been also studied numerically. Second we comprehensively investigate a series of experiments on lane formation performed on board the International Space Station. In the experiments, we focus on the lanes formed by the background particles. The influence of the number density ratio and size ratio between two particle types has been studied. By investigating two consecutive penetrations, a "memory" effect of the first penetration on the second is revealed. In addition, we observe a crossover from free lane formation to a demixing dominated mode of the nonequilibrium system in the same set of experiments. Finally, we introduce an supplementary experiment to investigate the lane formation of the penetrating particles on the ground. The gravity is compensated by the thermophoretic force. The experiment successfully overcomes the drawbacks in terms of non-uniformity of the speed of the penetrating particles and inhomogeneity of the background particles. Using it as a model system we can investigate the process of lane formation in great detail and directly compare it with numerical simulations and experiments in colloidal suspensions.