Polarisationsspektroskopie für die Untersuchung von Plasmaprozessen

Abstract

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der laserdiagnostischen Messmethode der Polarisationsspektroskopie mit dem Ziel, ihr Potential für Forschungs- und Entwicklungsanwendungen in der Plasmatechnologie zu demonstrieren. Hierfür wird ein Messaufbau für die Polarisationsspektroskopie entwickelt. Er erlaubt spektral hochauflösende Messungen im Wellenlängenbereich um 226 nm. In diesem Spektralbereich kann die Absorption von O, O2 und NO untersucht werden. Diese drei Spezies sind für verschiedene Plasmaprozesse wie die Simulation von atmosphärischen Eintrittsbedingungen in Plasmawindkanälen sowie der Erzeugung von Plasma bei atmosphärischem Druck für NOx-Syntheseprozesse oder den gezielten Abbau von klimaschädlichen Abgasen wie CO2 von Bedeutung. Der Versuchsaufbau wird anhand von Messungen des Xenon 7p[1/2]0 Zwei-Photonen Übergangs kalibriert. Mit einer speziell für die Polarisationsspektroskopie entwickelten Kaltgaszelle können systematische Untersuchungen an Xenon bei präzise kontrollierbaren Drücken vorgenommen werden. Für den Messaufbau wird eine instrumentelle Linienverbreiterung von 0,264 pm festgestellt. Erstmalig wird die druckabhängige Verbreiterung und die druckabhängige Rotverschiebung von Xenon 7p[1/2]0 gemessen. Die Druckverbreiterung beträgt 1,475 pm/bar. Die Rotverschiebung ist 1,685 pm/bar. Das linear vom Druck abhängige Verhalten dieser Eigenschaften des Xenonübergangs wird verwendet um die Modellierung der Polarisationslinienform zu verifizieren. Auf Basis der Untersuchungen an Xenon kann ein unteres Detektionslimit für die messbare Teilchendichte atomaren Sauerstoffs für den Messaufbau zu nO ≥3, 29⋅1023 m−3 bestimmt werden. Möglichkeiten die Empfindlichkeit signifikant zu erhöhen, sind die Verwendung von Polarisatoren mit einem besseren Auslöschungsvermögen sowie Laserpulsen höherer Energie. Für die Untersuchung der molekularen Spezies O2 und NO wird ein Line-by-Line Code für die Simulation von Polarisationsspektren von O2 Schumann-Runge B 3Σu− ← X 3Σg− und vier NO-Absorptionsübergängen (γ, β, δ, ϵ) entwickelt. Die Berücksichtigung der Prädissoziation und der damit verbundenen Verbreiterung der Rotationslinien ist von entscheidender Bedeutung für die korrekte Simulation der O2-Spektren. In der vorliegenden Dissertation wird O2 zum ersten mal mit der Polarisationsspektroskopie detektiert. Als Nachweis werden Messungen in reinem O2-Plasma durchgeführt. Dieses wird mit einer mikrowellengetriebenen Plasmaquelle bei Atmosphärendruck erzeugt. Eine Referenzbedingung zur Validierung des Simulationsprogramms unter der Annahme von Ttrans = Trot und Tvib = Tel wird definiert. Hierfür werden Messdaten aus der Entwicklungsphase der Plasmaquelle verwendet und der Plasmazustand wird emissionsspektroskopisch untersucht. Die simulierten Polarisationsspektren der Referenzbedingung stimmen sehr gut mit den gemessenen Spektren überein. Das Potential des Messverfahrens für die Untersuchung von Plasmaprozessen wird anhand von zwei Anwendungsfällen demonstriert. Hierfür werden Messungen im Resonator der Mikrowellenplasmaquelle bei Atmosphärendruck durchgeführt. In Luftplasma wird eine relative Teilchendichte nO2/nNO = 1500 detektiert. Der niedrige NO-Gehalt deutet darauf hin, dass die Bildung von NO vornehmlich in den Bereichen kälterer Strömung stattfindet. Messungen von O2 in CO2-Plasma zeigen, dass die Plasmabedingungen mit Trot = 2660 K und Tvib = 6115 K im thermischen Nichtgleichgewicht sind. Plasmabedingungen dieser Art begünstigen den effizienten Abbau von CO2, da Rückreaktionen nach der Dissoziation von CO2 unterbunden werden. Dies resultiert in einem erhöhten O2-Gehalt des CO2-Plasmas. Vergleichsmessungen in O2-Plasma bestätigen dies. Es wird festgestellt, dass das CO2-Plasma 2,4-mal mehr O2 enthält als in einem thermischen CO2-Plasma zu erwarten wäre. Die beiden Anwendungsfälle demonstrieren das Potential der Polarisationsspektroskopie als Instrument für die Erforschung und Entwicklung von Plasmaprozessen.