Ultra schnelle und empfindliche Messung der Elektronendichte mittels THz time domain Spektroskopie

• Antragsteller: Professor Dr. Uwe Czarnetzki
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 253159071

In jüngster Zeit wurde von einigen wenigen Gruppen weltweit, einschließlich des Antragstellers, die Anwendbarkeit von Terahertz time domain Spektroskopie zur Messung der Elektronendichte in Niedertemperaturplasmen fern des thermodynamischen Gleichgewichts demonstriert. Diese neue Diagnostik hat im Vergleich zur klassischen Mikrowelleninterferometrie bestimmte Vorteile. Insbesondere wird ein sehr breiter Spektralbereich parallel untersucht, der zudem auch höhere Frequenzen im THz-Regime mit einschließt. Darüber hinaus ist eine Zeitauflösung im ps-Bereich möglich. Schließlich ist die Technik praktisch unempfindlich gegenüber Vibrationen. Allerdings ist die Empfindlichkeit der Methode bisher vergleichsweise niedrig und in allen Fällen wurden besondere Maßnahmen ergriffen, Plasmen mit ungewöhnlich hohen Dichten für die Messung zu erzeugen. Anwendung auf die Niedertemperaturplasmen, wie sie üblicherweise in dem Gebiet erzeugt und untersucht werden, erfordert eine Erhöhung der Empfindlichkeit um mehrere Größenordnungen. Weiterhin, wurde bisher niemals die potentiell möglich Zeitauflösung im ps-Bereich ausgenutzt und die experimentelle Zeitauflösung lag eher im 100 ns Bereich. Schließlich, wurden alle Untersuchungen im Niederdruckbereich durchgeführt, in dem Elektronen-Neutralteilchenstöße für die Diagnostik vernachlässigbar sind. Aktuelle Entwicklungen im Bereich der schnellen Datenerfassung mittels Lock-in-Verstärkern machen nun eine Verwirklichung der erforderlichen Erhöhung der Empfindlichkeit tatsächlich möglich. Die Ziele des Antrags sind daher: Erstens, eine Verbesserung der Empfindlichkeit zur Bestimmung der Elektronendichte um mindestens zwei Größenordnungen auf 10^11 cm^-2 (Linienintegral). Zweitens, Anwendung der neuen Technik zur erstmaligen Bestimmung der Elektronendichte in einem RF-Mikroplasmajet bei Atmosphärendruck. Drittens, Durchführung von zeitaufgelösten Messungen der Zündung, des Selbstpulsens und der Ausbreitung des kontrahierten Jets im hochdichten Selbstpulsmodus. Dabei werden insbesondere die kurze Pulsdauer im ps-Bereich und die schnelle Repetition der Pulse im zeitlichen Abstand von etwa 10 ns ausgenutzt. Die zeitliche Entwicklung wird daher auf drei Zeitskalen aufgelöst: Gleichzeitig auf der ps- und ns-Skala während der Zündung und auf der ms-Skala während der Ausbreitung durch Messung an verschiedenen Orten.Die ultimative Vision besteht in einer kompakten Messvorrichtung auf der Basis von Faserlasern, die ähnlich bequem wie eine Langmuir-Sonde eingesetzt werden kann. Allerdings kommt im beantragten Projekt ein Ti:Sa-Laser zum Einsatz. Der Fokus liegt daher klar auf der Entwicklung der Diagnostik und nicht bei der Technologie. Dies mag zu einem späteren Zeitpunkt als zweiter Schritt nachfolgen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: ultra fast lock-in-amplifier/boxcar averager
• Gerätegruppe: 6110 Selektive Verstärker, Lock-in-Verstärker