Laser-Streu-Diagnostik im Vergleich mit Emissionsspektroskopie an einem Freistrahlplasma

Abstract

In der bemannten Weltraumfahrt kommt der Entwicklung von Hitzeschutzmaterialien und Hitzeschutzschichten eine besondere Bedeutung zu. Sie schützen das mit hoher Geschwindigkeit in eine dichte Atmosphäre eindringende Raumfahrzeug vor dem sich dabei ausbildenden Plasma. Die Qualität solcher Materialien und Schutzschichten wird durch ihr Erosionsverhalten beurteilt. Die zeitliche Erosion wird durch die Messung der Strahlungsintensität von Spektrallinien der Erosionsprodukte bestimmt. Um diese Messungen zu interpretieren und die Qualität der entwickelten Materialien und Schutzschichten zu beurteilen, ist die genaue Kenntnis der fundamentalen Plasmaparameter Elektronendichte und Elektronentemperatur notwendig. In dieser Arbeit werden Elektronendichte und Elektronentemperatur an einem Freistrahlplasma durch das Verfahren der Laser-Thomson-Streuung bestimmt. In bisherigen Arbeiten wurde die Thomson-Streuung an solchen Plasmen in einem Druckbereich von 1000 hPa bis hinunter zu 100 hPa eingesetzt. Erstmals werden hiermit Elektronendichten und Elektronentemperaturen an einem Freistrahlplasma bei einem Druck von 10 hPa, wie er bei einem Wiedereintritt in 80 km Höhe auftritt, bestimmt. Die Plasmaparameter werden vom Ort der Plasmaquelle bis zur Probenposition in etwa 60 cm Entfernung von der Quelle an verschiedenen axialen Position radial aufgelöst gemessen. Am Ort der Plasmaquelle, wo eine Elektronendichte vorliegt, die die Anwendung von emissionsspektroskopischen Verfahren erlaubt, werden die Plasmaparameter zusätzlich durch Messung der Stark-Effekt-Verbreiterung und Messung von Linienemissionskoeffizienten von Atom- und Ionenlinien ermittelt und mit den Ergebnissen der Thomson-Streuung verglichen. Ferner wird der Einfluß von geometrischen Fluktuationen des Plasmafreistrahles auf die Ergebnisse anhand von Messungen einer Zeilen-CCD-Kamera und der Thomson-Streuung mit einem Laser-Puls diskutiert.

The development of heat protection materials and protective coatings for those materials have a large significance in manned space missions. They protect the shuttle entering a dense atmosphere with high velocities from the plasma arising in front of the vehicle. The quality of such materials and coatings is rated by their erosion behaviour. Time resolved erosion is evaluated by measuring the radiation intensities of spectral lines of erosion products. For the interpretation of these intensities a very good knowledge of the fundamental plasma parameters electron density and electron temperature is needed. In this work both the electron density and the electron temperature are determined in a free burning plasma jet using laser-Thomson scattering. Prevailing works with this method in plasma jets were done in a pressure range from 1000 hPa down to 100 hPa. For the first time the fundamental plasma parameters are determined with this method, using a two-dimensional intensified CCD-camera, at a pressure of 10 hPa occuring at re-entry at a height of 80 km. The plasma parameters are determined radially resolved at various axial positions from the plasma source to the probe position at about 60 cm distance from the source. At a position near the plasma source, where high densities occur allowing emission spectroscopy, the electron density and electron temperature are determined by measuring Stark-effect broadening and line emission coefficients of atomic and ionic spectral lines, too. The results of these measurements are compared with the results obtained by laser-Thomson scattering. Furthermore the influence of geometric fluctuations of the plasma jet on the results are discussed, using measurements with a fast single line CCD-camera and Thomson scattering with a single laser pulse.