Diagnostics and control of complex plasmas by means of tunable lasers

Pikalev, Aleksandr (2021): Diagnostics and control of complex plasmas by means of tunable lasers. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Komplexe oder staubige Plasmen sind elektroneutrale Medien, die ionisiertes Gas und Mikroteilchen enthalten. Sie sind weitverbreitet in der Natur (Leuchtende Nachtwolke, Planetenringe, Kometen usw.) und Industrie (Plasmarand im Tokamak, Herstellung von Nanoteilchen, Plasmaätzen und plasmagestützte Abscheidung). Flüsse von Elektronen und Ionen auf die Mikroteilchen laden sie elektrisch auf. Deswegen wechselwirken die Mikroteilchen im Plasma miteinander und können stark gekoppelte Subsysteme bilden. Man benutzt sie, um generische Phänomene in klassischer kondensierter Materie auf dem Partikelniveau zu untersuchen. Gleichzeitig beeinflussen die Mikroteilchen andere Komponenten des Plasmas und ändern oft wesentlich die Gegebenheiten im Plasma. In dieser kumulativen Dissertation geht es um die Untersuchung der Interaktionen zwischen den Mikroteilchen und Plasmen in einer kapazitiv gekoppelten HF-Entladung in Argon. Mittels der Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie (tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS) detektierten wir kleine mikroteilcheninduzierte Erhitzung des Gases und bestimmten die Wirkung der Mikroteilchen auf die Dichte der metastabilen Atome. Dann versuchten wir die Einschränkungen der Absorptionsspektroskopie mittels planarer laserinduzierter Fluoreszenz zu bewältigen. Dadurch erhielten wir eine zweidimensionale Verteilung der Dichte der metastabilen Atome. Gleichzeitige Beobachtungen der Anordnung der Mikroteilchen und der Plasmaemission zeigten, dass das Void (ein Raum innerhalb der Mikroteilchenwolke ohne Mikroteilchen) in zwei Formen existieren kann, die wir „matt“ („dim“) und „hell“ („bright“) nannten. Das matte Void entspricht niedrigen Entladungsleistungen und zeichnet sich durch ein diffuses Emissionsprofil in und um das Void aus. Das helle Void entspricht höheren Entladungsleistungen und hat helle Plasmaemission in seinem Inneren. Der Übergang des Voids von der matten zur hellen Erscheinungsform erfolgte diskontinuierlich und wies einen Knick in der Abhängigkeit der Voidgröße von der Entladungsleistung auf. Eine Modellierung lieferte Hinweise, dass sich die Bildungsmechanismen des Voids für die beiden Erscheinungsformen qualitative unterschieden: Im hellen Void heizt ein starkes, zeitlich gemitteltes elektrisches Feld an der Grenze des Voids die Elektronen. Für das matte Void ist das Feld viel schwächer, und die radiale Diffusion spielt eine wichtige Rolle in der Ionenbilanz im Void. In gewissen Parameterbereichen (einschließlich hoher Dichte der Mikroteilchen und bestimmter Gasdrücke sowie Entladungsleistungen) wird das Void instabil und verändert periodisch seine Größe. Dieses Phänomen heißt „Herzschlag (=Heartbeat) Instabilität“. Wir untersuchten es und legten dabei einen besonderen Schwerpunkt auf die optogalvanische Kontrolle der Instabilität mittels eines durchstimmbaren Lasers. Wir fanden heraus, dass kontinuierliche Laserstrahlung die Mikroteilchenwolke stabilisieren kann, während ein modulierter Laser die Variationen des Voids entweder transient oder resonant anregen kann. Die Resonanz wurde beobachtet, wenn die Modulationsfrequenz mit der Frequenz von kleinen radialen Schwingungen übereinstimmte. Die Schwingungen werden für eine Voraussetzung für die Heartbeat Instabilität gehalten. Auf Grund der experimentellen Ergebnisse und der Theorie der matten und hellen Erscheinungsformen des Voids konnten wir schließen, dass die Kontraktionen des Voids durch einen abrupten Übergang von der matten in die helle Erscheinungsform des Voids ausgelöst werden. Da es sich bei der Heartbeat Instabilität um einen komplexen Prozess, der viele Zeitskalen umfasst, handelt, kann die Instabilität nicht direkt simuliert werden. Deshalb gibt es auch immer noch kein vollständiges Verständnis dieses Phänomens. Die in dieser Arbeit vorgestellten experimentellen Untersuchungen ermöglichen es allerdings nun, den Ablauf der Instabilität in einzelne Phasen zu unterteilen, die getrennt untersucht werden können.

Abstract

Complex or dusty plasmas are electrically quasineutral media containing ionized gas and micron-sized solid particles. They are widely spread in nature (noctilucent clouds, planet rings, comets etc.) and technological devices (plasma edge in tokamaks, nanoparticle production, plasma etching and deposition). Fluxes of electrons and ions onto the microparticle surface charge it. Interacting with each other, the microparticles can form a strongly coupled subsystem, which is used for particle resolved studies of generic phenomena in classical condensed matter. At the same time, microparticles interact with other plasma components and modify in many cases significantly the background plasma conditions. This cumulative thesis is devoted to the microparticle-plasma interactions in a capacitively-coupled RF discharge in argon. Using tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS), we detected small microparticle-induced gas heating and measured the effect of the microparticles on the metastable density. Then we tried to overcome limitations of TDLAS diagnostics by means of planar laser induced fluorescence and obtained qualitative two-dimensional distributions of the metastable density. Simultaneous observations of the microparticle arrangement and the plasma emission revealed that the void (a microparticle-free area inside the suspension) can exist in two regimes, which we termed „dim“ and „bright“. The dim void regime corresponds to relatively low discharge power conditions and is characterized by a diffuse emission profile inside and around the void. The bright void regime corresponds to the conditions with higher RF discharge power and is characterized by the bright plasma emission inside the void. The transition between the regimes has a discontinuous character and is manifested by a kink in power dependencies of the void size. A modelling suggested that the void formation mechanism differs qualitatively in these regimes: In the bright void regime, strong time-averaged electric field at the void boundary heats the electrons. In the case of dim void, the electric field is much lower, and the radial diffusion plays a significant role for the ion balance inside the void. In some conditions (including high density of microparticles and specific gas pressures as well as discharge powers) the void becomes unstable and contracts periodically. This phenomenon is called the heartbeat instability. We investigated this phenomenon with particular attention to its optogalvanic control with a tunable laser. We found out that the continuous laser beam can stabilize the microparticle suspension whereas the modulated laser can induce the void contractions either transiently or resonantly. The resonance was observed when the modulation frequency coincided with the frequency of the small breathing oscillations, which are supposed to be a precursor for the heartbeat instability. Based on the experiments and the theory of dim and bright void regimes, we could conclude that the void contractions are triggered by an abrupt transition of the dim void to the bright regime. Being a complex multi-timescale process, the heartbeat instability cannot be simulated directly, and its full understanding is still unavailable. However, we decomposed the instability cycle into individual stages, which can be investigated separately.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: argon, complex plasma, dusty plasma, gas temperature, heartbeat instability, laser induced fluorescence (LIF), metastable density, period/phase-resolved optical emission spectroscopy (PROES), RF discharge, tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS), void
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 13. Dezember 2021
• 1. Bericht­erstatter:in: Räth, Christoph