Raumfahrtrelevante Plasmen und deren anwendungsbezogene Klassifizierung

Abstract

Für natürliche und technische Plasmen, deren Charakterisierung von wissenschaftlicher bzw. raumfahrttechnischer Relevanz ist, wurden zunächst die wichtigsten plasmaphysikalischen Parameter eingeführt. Darüber hinaus wurden diese Plasmen auf der Basis von Literaturen aber auch der Datenbasis am IRS eingeordnet. Zu diesem Zweck wurde aus der gängigen Darstellung von Plasmen in Te(ne) Diagrammen ein Plasmaabakus entwickelt, welcher es erlaubt Parameter wie beispielsweise die Elektronenanzahldichte ne, die Elektronentemperatur Te, die Debyelänge, die Landaulänge, die Plasmafrequenz und den Coulomblogarithmus direkt abzulesen. Anhand der aus der Literatur bekannten Energietypen lässt sich das so entstandene Diagramm in Bereiche einteilen, aus denen sich unmittelbar Randbedingungen für die Beschreibung der Plasmen ermitteln lassen (z.B. ideale Plasmen). Darüber hinaus lassen sich über den Abakus Transportkoeffizienten wie die elektrische Leitfähigkeit σ der Plasmen ableiten. Das Resultat ist ein graphisch basierter Plasmaabakus, anhand dessen sich wichtige Parameter zur Beurteilung bedeutsamer Eigenschaften der Plasmen beispielsweise für die Modellierung (z.B. Knudsenregime) sowie zur messtechnischen Erfassung (z.B. Langmuir-Sonden) ableiten lassen. Im 4. Kapitel werden die wichtigsten natürlichen Plasmen sowie die diskutierten technischen Plasmen eingehend beschrieben. Dabei ist das Augenmerk auf deren Beschreibung an sich sowie die Bereitstellung von plasmarelevanten Daten auf der Grundlage von belastbaren Referenzen des IRS und anderen Forschungsinstitutionen ausgerichtet. Die damit geschaffene Datenbasis stellt dabei für einige der technischen Plasmasysteme wie z.B. den IMAX eine erstmalige Ableitung der Plasmaeigenschaften zur Verfügung und findet Eingang in den oben genannten Plasmaabakus, was die Grundlage für die Klassifizierung dieser Plasmen liefert. Weiterhin lassen sich somit gemeinsame Bereiche der Plasmen im Diagramm identifizieren, womit eine erste Analyse einer grundlegenden Ähnlichkeit, beispielsweise bestimmter technischer Plasmen mit entsprechenden natürlichen Plasmen durchgeführt werden kann. So führt dies auf Ähnlichkeiten im Sinne der oben diskutierten Plasmaparameter zwischen den induktiv beheizten Plasmen (IPG) und der Sonnenatmosphäre. Die im weiteren Verlauf untersuchte Elektrodynamik (Maxwellgleichungen) liefert die Grundlage für einige wichtige Dimensionsanalysen, aus denen sich grundlegende Kriterien sowohl für die Modellierung der Plasmen, als auch für das bessere Verständnis, gewinnen lassen. Beispiele hierfür sind die magnetische Reynoldszahl, um eine Aussage bezüglich der Kopplung zwischen elektromagnetischen Feldern und der Plasmaströmung zu machen, und der Parameter g zur Analyse der Signifikanz des Verschiebungsstromes. Damit sind diese Parameter nicht nur zum besseren Verständnis der jeweils betrachteten Plasmen von Bedeutung, sondern dienen als zusätzliche Information zur Beurteilung zu berücksichtigender Aspekte bei der Modellierung. Diese Betrachtungen wiederum finden Eingang in die Aufstellung von Plasmabeta und Stuartzahl, mit denen die magnetische Beeinflussung von Plasmen beurteilt werden kann. Darüber hinaus wurden Pinchkonfigurationen analysiert, die Voraussetzung zur Beschreibung der zwei, im Anschluss daran diskutierten, technischen Plasmasysteme IPG und IMAX sind. Alle durchgeführten Untersuchungen finden im Rahmen der Abhandlung zwar Anwendung für alle relevanten Plasmen des Kapitel 4, darüber hinaus werden aber die beiden oben genannten Plasmasysteme genauer betrachtet. So ist die algebraische Lösung für die eigenfeldbasierte Stabilisierung der induktionsbeheizten Plasmen des IRS nach Kenntnis des Autors originär und einmalig. Weiterhin hinaus wurde diese Stabilisierung durch eine Analyse experimenteller Daten bestätigt. Für das Plasmasystem IMAX konnte durch die Analysen der Referenzplasmabedingung gezeigt werden, dass hier eher eine Plasmaverpuffung vorliegt. Dies ist inbesondere in der geringen Gasdichte, welche sich aus dem kleinen Massenbit ergibt, begründet. Als Konsequenz ergibt sich eine verhältnismäßig hohe magnetische Reynoldszahl, was mehr oder weniger bedeutet, dass die MHD-Effekte, welche mit der untersuchten Plasmaentladung einhergehen, nicht signifikant sind. Allerdings vernachlässigt die Analyse die Elektrodenabtragung, welche aufgrund der Aluminiumablagerungen auf dem eingesetzten Kalorimeter signifikant sind. Abschließend führten die diskutierten Entwicklungen zusammen mit der umfangreichen Recherche auf neue Arbeitsthemen und –Gebiete, welche teilweise schon erfolgreich auf einer institutionellen Ebene implementiert wurden. Hierzu gehören das Kapselkonzept PHOEBUS, die VUV Spektroskopie sowie die experimentelle Darstellung natürlicher Plasmen in Zusammenarbeit mit der Baylor University.

The evidence that the characterization of both natural and technical plasmas is of relevance for science and technical issues has been highlighted. For this purpose the most important parameters relevant in plasma physics were introduced and partly derived. In addition, a categorization was made for relevant plasmas on basis of literature and / or data that were derived at IRS. For this purpose Te(ne)-Diagrams were developed under consideration of iso-lines of needed plasma physics parameters. Among them are Debye length, Landau length, plasma frequency and Coulomb logarithms. The fact that these parameters can be directly read out of the diagram and the introduction of energy limits known from plasma physics allows an ad hoc derivation of the most important properties of the considered plasma system. In addition, the graphs allow the derivation of transport properties and even transport coefficients such as e.g. the Spitzer conductivity. Eventually the diagrams derived here can be considered as a plasma abacus allowing the categorization and/or derivation of plasma properties and parameters that have relevance e.g. for modeling (Knudsen number) or even the application of measurement techniques (Langmuir probes).In order to obtain a categorization to a maximum extend an all-embracing description and review of both natural and technical plasmas is performed in the fourth chapter. Besides the description of the plasmas the main task is to review and derive the most important plasma parameter making use of reliable references from both IRS and other research institutes. The created data base signifies for some of the discussed plasma system a first derivation of the plasma properties which are then implemented for the plasma abacus i.e. the aforementioned Te(ne)-diagrams. This in turn is the basis for the classification of these plasmas. Additionally, plasma regimes are identified enabling the assessment of similarities between some of the discussed technical IRS plasma systems with some of the analyzed natural plasmas. One example is the similarity of the inductively heated high power plasmas with the solar atmosphere. Here a similarity on the level of basic plasma physical parameters such as Debye length and Landau length and the relevant derived parameters could be affirmed. In a further step plasma hydrodynamics and hydrostatics was implemented in order to provide a basis for dimension analyses that allow the development of basic criteria for both plasma modeling and the overall assessment of an improved understanding of the plasmas. Examples to mention are the magnetic Reynolds number, which allows for statements on the coupling between electromagnetic fields and the plasma flow, and the dynamic parameter g to analyze the significance of the displacement current. In a next step an engineering type assessment of magnetohydrodynamics is performed deriving the sizes Plasmabeta and Stuart number. While the Plasmabeta is rather a magnetohydrostatic parameter, the Stuart number considers the impact of the plasma flow velocity with respect to self inductance of plasma currents and- resulting from this- the creation of zones with Lorentz force densities present. The link between the two parameters is the ratio of total pressure to ambient pressure denoting more or less the Mach number and the magnetic Reynolds number. In addition, different plasma Pinch configurations were considered in a preparatory step in order to develop a full set of equations to individually characterize the appearance of magnotoplasmadynamics for plasma systems such as IMAX and IPG3. These two plasma systems are then discussed more in detail making use of well established reference conditions. Chapter 7 e.g. presents an algebraic solution of the self-field stabilization effect for IPG3 derived from the cylinder problem which has been adapted to the Theta-Pinch that is present during operation of IPG3. The respective algebraic solution is unique according to the knowledge of the author of this work. For IMAX the assessment of the plasma condition showed that here rather the process of a plasma deflagration has to be considered as the mass bit accelerated and, hence, the density of the gas is very low. Correspondingly estimates of the magnetic Reynolds number show very high values which more or less means that the MHD-effect accompanying this plasma condition may not be that significant. All in all the discussed developments and qualifications lead to an assessment of potentially new working fields. Some of these fields have already been implemented successfully on an institutional level e.g. there already have been successful discussions with ESA. Examples to mention are the capsule PHOEBUS, VUV spectroscopy and the natural plasma facility that is set in commission in cooperation with Baylor University.