Analysis, modeling and numerical simulation of complex plasmas under microgravity conditions

Gonzalez Tapia, Eduardo Rodrigo (2006): Analysis, modeling and numerical simulation of complex plasmas under microgravity conditions. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Diese Dissertation hat sich mit dem Prozess der Implementierung numerischer Simulationen auf komplexe Plasmen auseinandergesetzt, aufbauend auf ein Set gekoppelter Partielle Differentialgleichungen. Die Dynamik komplexer Plasmen ist durch die Wechselwirkung ihrer unterschiedlichen Komponenten auf mikroskopischen und mesoskopischen Ebenen charakterisiert worden. Diese Wechselwirkungen resultieren in einer Mischung elektrodynamischer und strömungsdynamischer Effekte. Dieses Differentialgleichungssystem ist mit der Methode der finiten Elemente gelöst worden, die die Verkuppelung verschiedener physikalischer Phänomene in beschränkten Bereichen ermöglicht. Die Sturm-Liouville Theorie ist als mathematisches Gerüst verwendet worden, um Maxwellsche Gleichungen in beschränkten Hohlraumresonatoren mit inhomogenen Randbedingungen zu lösen. Die Profile der elektrischen Energiedichte sind kalkuliert worden, sowohl für den elektrostatischen Fall, als auch für die ersten sechs Eigenresonanzfrequenzen der elektromagnetischen Wellen. Es hat sich herausgestellt, dass die angelegte Hochfrequenz niedriger als die erste Eigenfrequenz der HF-Plasmakammer ist. Es hat sich erwiesen, dass sich die elektromagnetische Energie innerhalb der HF-Plasmakammer unter den Eigenfrequenzen aufspaltet, und dass die Rahmenbedingungen bestimmte Resonanzen erzeugen. Die Form und Verteilung dieser elektromagnetischen Energie korrelieren mit den Eigenfunktionen der respektiven Eigenresonanzfrequenzen. Um eine makroskopische Beschreibung der Dynamik komplexer Plasmen zu erreichen, ist die kinetische Theorie für Modellierung der Strömungsdynamik verwendet worden. Die Kopplung zu den elektromagnetischen Feldern ist auf der kinetischen Ebene durchgeführt worden. Dieses Herangehen überbrückt den Sprung von der mikroskopischen Beschreibung der Boltzmann Gleichung zu einer makroskopischen Beschreibung. Wir haben festgestellt, dass sowohl die dielektrischen Partikel als auch der Dielektrikumfluss einen “Elektrodruck” empfinden. Hohe Gradienten der elektrischen Energiedichte können die komplexen Plasmen zum Wirbeln bringen. Diese Herangehensweise ist neu, denn die gegenwärtige Theorie betrachtet das Neutralgas im Ruhezustand, dabei wird der Reibungswiderstand auf die komplexen Plasmen ausüben. Die beobachteten Wirbel in dem PK-3 Plus Experiment können durch die Stromlinien dieser Gradienten erklärt werden. Wir haben herausgefunden, dass der partikelfreie Raum in dem PK-3 Plus Experiment erklärt werden kann, wenn man sowohl die Elektrostatik als auch die erste Eigenresonanzfrequenz der elektrischen Energiedichte der HF-Plasmakammer berücksichtigt. Dies ist durch ein dreidimensionales Modell visualisiert worden. Dieses Model erklärt auch die Bildung sekundürer Räume, die durch die Einführung metallischer Tastkopfe in die HF-Plasmakammer hervorgebracht werden. Die Hypothese der elektrischen Energiedichte als Quelle der partikelfreien Räume kann durch die Trennung der Partikel in den Plasmakristall-Experimenten geklärt werden. Dielektrophoretische Kräfte stoßen Partikel mit höheren Permittivität (oder größere Partikel, falls alle aus demselben Material sind) in die Richtung der Regionen mit höherer elektrischer Energiedichte. Die Grenze zwischen Partikeln unterschiedlicher Permittivität (oder Größe) ist durch Isoflächen dieser Energiedichte geformt. Die Erklärung dieser Phänomene (die auf der Distribution elektrischer Energiedichte beruht) bietet einen neuen Standpunkt zur aktuellen Theorie, die auf der Reibungskraft der Ionenströmung basiert.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Complex plasmas, finite element method, fluid dynamics, dielectrophoresis, numerical analysis
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 16. November 2006
• 1. Bericht­erstatter:in: Morfill, Gregor