Messung absoluter Ionendichten (MAID) durch Auswertung von ionenakustischen Wellen im Plasma sowie begleitende Modellierung zur Identifikation der Ionen

• Antragsteller: Dr. Torsten Gerling
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 466331904

Eine offene Fragestellung bei der Diagnostik von Plasmaentladungen in Atmosphärendruck ist die messtechnische Bestimmung der absoluten Ionendichten. Die bekannten Verfahren der relativen Messungen mit kommerziellen Massenspektrometern und die Zugänge zu Absolutwerten mittels Aktinometrie-basierten Verfahren sowie Modellierung liefern nur für vereinzelte Modellsysteme mit entsprechenden Randbedingungen verlässliche Ergebnisse. Das hier vorgestellte Projekt adressiert die Bestimmung der absoluten Ionendichte im Plasma durch die messtechnische Auswertung von selbstangeregten ionenakustischen Wellen (IAW) auf dem Stromsignal. Aus Voruntersuchungen ist bekannt und rechnerisch nachvollzogen worden, dass bei Überschreiten einer unteren Ionendichte die Ionen selbst bei Atmosphärendruck-Bedingungen zu oszillieren beginnen. Durch Auswertung der Oszillationsfrequenz, die der Ionen-Plasmafrequenz entspricht, kann die absolute Ionendichte zu dem gemessenen Zeitpunkt bestimmt werden. Die im Projekt geplanten Arbeiten zielen darauf ab, ein in Argon getestetes Verfahren in eine universell verwendbare Diagnostik zu überführen.Innerhalb des Projektes sollen dabei folgende wissenschaftliche Fragestellung gelöst werden:• Gibt es Abhängigkeiten des Auftretens der IAW von der Ionenpolarität (ist neben positiven Ionen auch die Beobachtung negativer Ionen möglich) und der Gaszusammensetzung• Worin liegt die Natur der Anregung der IAW – Selbstanregung oder durch den steilen Strompuls extern angeregt• Ist es möglich auch in einer Einzelfilament-Entladung die IAW zu beobachten und welche Parameter sind daraus extrahierbar• Lassen sich die IAW durch Anpassung der Modellierung vorhersagen• Ist eine externe Anregung der IAW möglich und lässt sich so das Detektionslimit experimentell steuernNeben der erprobten und funktionierenden transienten Funkenanordnung soll die Diagnostik auf eine dielektrisch behinderte Entladung (DBD) mit breiterer wissenschaftlicher Datenbasis angewandt werden. Die DBD ermöglicht den Betrieb bei verschiedenen Gassorten sowie Zumischungen. Zur Interpretation der Oszillationen und Identifikation der Ionen wird eine begleitende Modellierung die zu erwartenden Dichten und dominanten Ionen bestimmen. Am Ende des Projektes soll die bisher passive Diagnostik in eine aktive Diagnostik durch Einkopplung einer hochfrequenten Anregung überführt werden. Diese aktive Diagnostik ließe sich im Erfolgsfall an eine beliebige Anordnung koppeln, um so die Ionendichten zu vermessen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr. Detlef Loffhagen