Untersuchung der Plasmaparameter einer niederfrequenten induktiven Entladung mit adiabatischer Kompression
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des geförderten DFG-Projektes wurde ein neues Experiment zur niederfrequenten induktiven Entladungserzeugung, deren Spulenkonfiguration auch als Sphärischer Θ-Pinch bezeichnet wird, aufgebaut und diagnostiziert. Die Entladungsparameter des Aufbaus sowie die Eigenschaften des elektrischen Schwingkreises wurden untersucht bzw. bestimmt. Des Weiteren wurde zeitaufgelöste optische Diagnostik zum Nachweis des Pinchverhaltens der Entladung durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass die Pinchphase mit den Phasen höchster Strahlungsintensität und höchster Leistungsdichten im Plasma korreliert. Die Messung der zeitlich aufgelösten Elektronendichte im Plasma lieferte Werte im Bereich von ne=10^21 m^-3. Es zeigte sich eine klare Korrelation zwischen dem Anstieg der Dichte, dem Pinchvorgang und dem Induktionsfeld. Es konnten erste Zusammenhänge zwischen den Plasmaparametern und den wirksamen Feldern hergestellt werden, was für eine spätere Modellbildung der Entladung notwendig ist. Parallel zum Aufbau des Experimentes gelang die Entwicklung eines Thyristor-Stacks als Ersatz zur anfänglich verwendeten Schaltung des Spulenstroms (18 kA bei Stromanstiegsraten von 1,5 kA/μs) durch ein Ignitron. Ziel dessen war insbesondere die exakt definierbare zeitliche Kohärenz des Schaltvorgangs, die für die Diagnostik des gepulsten induktiven Entladungsplasmas erforderlich ist. Bei optimaler Impedanz weist das Thyristor-Stack eine Schalteffizienz von 97% auf, sodass durch den Schaltvorgang kaum Energieverluste zu verzeichnen sind und sich eine entsprechend lange Haltbarkeit des ergibt. Es zeigte sich zudem eine bessere Koppeleffizienz zwischen Primärschwingkreis und Entladungsplasma als bei der Verwendung eines Ignitrons. Der Nachweis zur Erzeugung von induktiven gepulsten Entladungen mittels Halbleitertechnik wurde erbracht. Transfereffizienzmessungen zeigten eine sehr effiziente Einkopplung von mehr als 85% der gespeicherten Kondensatorenergie in das Plasma. Die durchgeführten Übersichtsspektren zeigen nahezu vollständig ionisiertes Plasma, dessen Ionenanteil über 99% während der Phasen höchster Intensität liegt. Da zudem der Nachweis einer hohen Elektronendichte im Bereich von 10^21 m^-3 erbracht wurde, kann das zugrunde liegende thermodynamische Gleichgewicht als LTE-Zustand angenommen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Design and test of a 13 kA-6.5 kV thyristor switch for pulsed inductive plasma source. IEEE Trans. Plasma Sci. 38: 1675, 2010
C. Teske, B.-J. Lee, A. Fedjuschenko, J. Jacoby and W. Schweizer
- Design and test of a 13 kA-6.5 kV thyristor switch for pulsed inductive vacuum ultraviolet source. Rev. Sci. Instr. 81: 046101, 2010
C. Teske, B.-J. Lee, J. Jacoby, W. Schweizer and J. Chao Sun
- Thyristor stack for low frequency inductive plasma generation. Rev. Sci. Instr. 80: 034702, 2009
C. Teske, J. Jacoby, W. Schweizer and J. Wiechula
- Energy transfer efficiency of a spherical theta pinch. Phys. Plasmas 17: 043501, 2010
C. Teske, J. Jacoby, F. Senzel and W. Schweizer
