Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. (DPG)

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E-Verhandlungen 1999
Programm und Abstracts der Sitzung P 20

Zeitverhalten des atomaren Wasserstoffs in einer gepulsten Mikrowellenplasmaquelle

•X.R. Duan und H. Lange
Institut für Niedertemperatur-Plasmaphysik e.V. Greifswald, Robert-Blum-Str. 8-10, 17489 Greifswald

Der Dissoziationsgrad von Wasserstoff in Mikrowellenplasmaquellen ist eine der fundamentalen Eingangsgrößen zur Beschreibung der Reaktionskinetik. In einer gepulsten planaren Mikrowellenplasmaquelle wird die Dichte des atomaren Wasserstoffs mittels LIF über eine 2-Photonen-Anregung bei 205 nm nach n = 3 bestimmt. Die Detektion der laserinduzierten Fluoreszenz erfolgt bei 656 nm. Es werden die zeitlichen Verläufe der Dichten des atomaren Wasserstoffs in der on-Phase (3,6 kW) und in der off-Phase (600 W) dargestellt und anhand von gemessenen Gastemperaturen des Wasserstoffs im Grundzustand diskutiert. Das Zeitverhalten der Dichten wird mit emissionsspektroskopischen Ergebnissen (siehe Vortrag N. Lang) verglichen. (Gefördert durch ein Stipendiat des DAAD)

Reaktionskinetik in molekularen Mikrowellenplasmen

•L. Mechold¹, J. Röpcke¹, M. Käning¹, D. Loffhagen¹ und P.B. Davies^2
1Institut für Niedertemperatur-Plasmaphysik, Greifswald
²Department of Chemistry, University of Cambridge, U.K.

Die Beschreibung der Phänomene in molekularen Niederdruckplasmen ist nach wie vor unzureichend. Zur Untersuchung der komplexen chemischen Vorgänge wurden kohlenwasserstoffhaltige Mikrowellenplasmen verwendet, die sich durch eine besonders große Anzahl chemisch aktiver transienter und stabiler Moleküle auszeichnen. Für die Bestimmung der Teilchenkonzentrationen kam die IR-Diodenlaser Absorptionsspektroskopie zum Einsatz. Unter veränderlichen Anteilen von H₂ und O₂ in CH₄- bzw. CH₃OH-haltigen Plasmen wurde das Reaktionsverhalten vom Methylradikal und elf weiteren wichtigen Molekülen untersucht. Darunter konnten erstmalig Formaldehyd und Ameisensäure nachgewiesen werden. Der Dissoziationsgrad des zugeführten Kohlenwasserstoffs varierte bis zu 90 % und das Methylradikal konnte im Bereich 10¹⁰-10¹¹ cm^-3 gemessen werden. Im Rahmen eines theoretischen Modells, bei dem verbesserte Ratenkoeffizienten für die Elektronenstoßprozesse Verwendung fanden, wurden 12 molekulare Spezies und 57 chemische Reaktionen berücksichtigt. Der Vergleich der theoretischen und gemessenen Teilchenkonzentrationen zeigte eine qualitative und größenordnungsmäßige Übereinstimmung für beliebige Sauerstoffanteile und ermöglichte eine detaillierte Analyse der wesentlichen Reaktionspfade. Weiterhin sind Vorhersagen plasmachemisch entstandener Verbindungen möglich, welche beispielsweise im Fall des Formaldehyds experimentelle Bestätigung fanden.

''IRMA`` a Tunable Infrared Multi-Component Acquisition System for Plasma Diagnostics

•J. Röpcke¹, M. Käning¹, J. Anders², F. G. Wienhold², D. D. Nelson³ und M. S. Zahniser^3
1Institut für Niedertemperatur-Plasmaphysik, 17489 Greifswald, R.-Blum-Str. 8-10, Germany
²Fraunhofer Institut für Physikalische Meßtechnik, 79110 Freiburg i. Br., Heidenhofstr. 8, Germany
³Aerodyne Research, Inc., 45 Manning Rd, Billerica MA 01821-3976, USA

The monitoring of transient or stable plasma reaction products, in particular the measurement of their ground state concentrations, is the key to an improved understanding of plasma chemistry and kinetics in molecular non-equilibrium plasmas, which are of increasing interest for plasma processing. Infrared tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) is a modern promising technique with specific capabilities for effective and reliable on-line process control in research and industry. For plasma di agnostics and control a compact and transportable tunable infrared multi-component acquisition system, ''IRMA`` , has been developed. The IRMA system contains 4 independent laser stations which can be temporally multiplexed. A multi-path cell is included for exhaust gas detection. Based on rapid scan software using direct absorption with sweep integration, the absolute concentrations of several molecular species can be measured simultaneously within milliseconds and used as digital output for process cont rol. A survey of characteristic measurements demonstrates the flexibility and versatility of ''IRMA``.

Räumlich aufgelöste Diagnostik großflächiger Mikrowellenplasmen mit der Effusionsmethode

•A. Meyer-Plath und A. Ohl
Institut für Niedertemperatur-Plasmaphysik, Robert-Blum-Straße 8-10, 17489 Greifswald

Es ist von hoher technologischer Relevanz, die Wirkung von Plasmen auf Substrate kontrollieren zu können. Neben der Art der plasmainduzierten Prozesse ist ihre räumliche Verteilung ausschlaggebend. Die letztere kann über die Struktur der Plasmaanregungszone und das Strömungsprofil der Prozeßgase beeinflußt werden. Für ein Verständnis der Plasmawirkung ist daher eine räumlich aufgelöste Diagnostik nicht nur der Substratoberfläche erforderlich. Auch die Verteilung der reaktiven Spezies im Gasraum darüber muß untersucht werden. Reaktiven Spezies entstehen durch Dissoziation molekularer Prozeßgase. Für Vorhersagen über die Modifikations-, Beschichtungs- und Ätzraten des Plasmaprozesses ist es wichtig, ihre Dichte zu kennen. Die Effusionsmethode nach dem Prinzip von Wrede-Harteck ist eine der wenigen Methoden, die erlauben, den absoluten Dissoziationsgrad diatomarer Gase im Afterglow zu bestimmen.

Es wird die Anwendung des Wrede-Harteck-Verfahrens auf ein großflächiges, zirkular-planares Mikrowellenplasma (2,45 GHz) vorgestellt. Mit einer scannenden Effusionssonde wurde die räumliche Struktur des Afterglows eines Wasserstoffplasmas bei einem Druck von 50 Pa erkundet. Es zeigte sich, daß das Sondensignal um Störeffekte korrigiert werden muß, die von Temperaturdifferenzen zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Sonde herrühren. Diese Korrekturen werden diskutiert und Ergebnisse der Messung des Dissoziationsgrades vorgestellt.

XUV Diagnostik an einem Laser-Plasmatarget

•M. Geißel¹, R. Bock², A.Ya. Faenov³, U. Funk¹, D.H.H. Hoffmann¹, F. Rosmej¹, M. Roth¹, W. Seelig¹, C. Stöckl⁴, W. Süß¹ und A. Tauschwitz^2
1Technische Universität Darmstadt
²Gesellschaft für Schwerionenforschung, Darmstadt
³MCISDC Mendeleevo, Russland
⁴University of Rochester, Rochester, NY

Die Auswertung der Energieverlustmessungen von Schwerionenstrahlen in einem Kohlenstoff-Plasmatarget, das durch einen 100 J Laserpuls erzeugt wurde, erfordert die genaue Kenntnis der Plasmaparameter. Diese sind durch VUV- und XUV-Spektroskopie zugänglich.
Die Experimentdauer (Pulslänge = 15 ns FWHM) und die Spektrenbreite stellen hohe Anforderungen an die Diagnostik. Da der Einfluss von Schwankungen der Laserenergie auf die Temperatur wichtig ist, wird ein Akkumulieren von Laserschüssen zur besseren Lichtausbeute ausgeschlossen, was größtmögliche Effizienz erfordert. Zum Einsatz kommen zwei "`Flat-Field-Gratings"' mit mittleren Strichzahlen von 1200 bzw. 2400 pro mm sowie eine XUV-/Röntgenstreakkamera, die via Bildverstärker und einem gekühlten CCD-Chip ausgelesen wird. Um die hervorragenden Effizienzen von elektronischen Übergängen in Halogenen auszunutzen, werden neben Kohlenstofftargets auch Teflontargets im Bereich zwischen 10 Å und 300 Å untersucht. Durch Auskoppeln eines Teils des Laserpulses auf einen Kupferdraht hinter dem eigtl. Target kann Cu-K_a-Strahlung zur Messung der optischen Dichte erzeugt werden. Diese Arbeit wird unterstützt durch das BMBF, INTAS und WTZ

Mehrdimensionale ECE-Messungen

•S. Bäumel¹, M. Rodriguez² und H.J. Hartfuss^1
1Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Euratom Ass., D-85748 Garching
²TU Darmstadt, Institut für Hochfrequenztechnik, D-64283 Darmstadt

Mikroskopische Plasmaturbulenz, die sich in breitbandiger Fluktuation von magnetischem und elektrischem Feld, Dichte sowie Temperatur äuß ert, ist eine der Ursachen für den erhöhten, nicht-stoß bestimmten Energietransport in Fusionsplasmen.

Am Stellarator W7-AS wurden Temperaturfluktuationen im heiß en Kernplasma mit Hilfe von Korrelationsradiometrie nachgewiesen und charakterisiert. Diese Temperaturfluktuationen werden als Fluktuationen der Strahlungstemperatur eines ECE-Radiometerpaares an unterschiedlichen radialen Positionen des Plasmas gemessen. Im Millimeter-Wellen-Bereich ist es jetzt möglich, Antennen-Arrays aufzubauen, die eine Abbildung ausgedehnter zweidimensionaler Bereiche im Plasma erlauben. Ein solches Array mehrerer Mikrowellenantennen wird neben der radialen auch eine poloidale Messung von T_e-Profilen und T_e-Fluktuationen ermöglichen. Dadurch erreicht man eine zweidimensionale Charakterisierung der turbulenten Strukturen im Kernplasma, wie sie schon erfolgreich an der Plasma-Randschicht mit Hilfe von Langmuirsonden-Arrays durchgeführt wurden. Das an W7-AS im Aufbau befindliche System wird vorgestellt und ausführlich diskutiert.

Turbulentes Gleichgewicht in einem einfachen magnetisierten Torus

•C. Lechte, H. Thomsen, F. Greiner, Th. Klinger und A. Piel
Atom- und Plasmaphysik, IEAP, CAU Kiel, D-24098 Kiel

Das Kieler Plasmaexperiment TEDDY ist ein Torus mit toroidalem Magnetfeld ohne Rotationstransformation. Bei einem Argonneutralgasdruck von etwa 10^-2 Pa und Magnetfeldern zwischen 0.05 und 0.2 T werden im TEDDY Untersuchungen zum für diese Geometrie vorhergesagten turbulenten Gleichgewicht durchgeführt. Um den Einfluß sowohl von lokalisierten, als auch von ausgedehnten Plasmaquellen zu untersuchen, kommen ein Filament und eine Helicon-Antenne zum Einsatz. Die Diagnostik erfolgt hauptsächlich mit zylindrischen Langmuir-Sonden, mit denen zweidimensionale poloidale Schnitte aufgenommen werden. Bei der Auswertung wurde neben der herkömmlichen Sonden-Theorie auch eine kinetische Theorie für stark magnetisierte Plasmen angewendet, die auch eine Bestimmung der Elektronenenergieverteilung gestattet.

Erste Ergebnisse der Impedanzsonde (IP) im Projekt DEOS

•C.T Steigies¹, M. Hirt¹, A. Piel¹ und H. Thiemann^2
1Atom und Plasmaphysik, IEAP, CAU Kiel, D-24098 Kiel
²Arbeitsgruppe Weltraumphysik und -technologie, Salzstr. 33. D-79098 Freiburg

Im Projekt DEOS wurden im April und September 1998 drei Höhenforschungsraketen in Süd-Indien gestartet, um die Dynamik der E- und F-Region am Rande des äquatorialen Elektrojets zu untersuchen. Die erste Rakete wurde kurz vor Einsetzen von Spread-F gestartet, während die letzten beiden Flüge unter ausgeprägten Spread-F Bedingungen statt"-fanden. Zur Bestimmung von Plasmaparametern wurden lokale Messungen mit Impedanz- und Langmuirsonden durchgeführt. Zum Vergleich stehen in-situ Messungen mit der Resonanzkegelsonde, integrale Messungen mit RABER (TEC) sowie bodengestütze Messungen (Ionogramme, Magnetogramme, VHF Radar) zur Verfügung. Die Auswertung der Impedanzsonden Daten liefert räumlich und zeitlich hochaufgelöste absolute Dichteprofile. Die von der IP gemessenen Dichtefluktuationen sind quantitativ vergleichbar mit den Messungen der Langmuirsonde im Fluktuationsmode. Die Dichteprofile stimmen sehr gut mit den Profilen aus den Ionosondenmessungen über"-ein.

Erste Ergebnisse der Langmuirsonden (LP) im Projekt DEOS

•M. Hirt¹, C.T Steigies¹, A. Piel¹ und H. Thiemann^2
1Atom- und Plasmaphysik, IEAP, CAU Kiel, D-24098 Kiel
²Arbeitsgruppe Weltraumphysik und -technologie, Salzstr. 33, D-79098 Freiburg

Im DEOS Projekt wurden im April und September 1998 drei Höhenforschungsraketen in Süd-Indien gestartet, um die Dynamik der E- und F- Region am Rande des äquatorialen Elektrojets zu untersuchen. Bisherige Messungen mit Langmuirsonden beschränkten sich auf die Auswertung des Sondenstroms mit fester Sondenvorspannung. Unser Instrument kombiniert Messungen im Sättigungsmodus mit der Aufnahme vollständiger Kennlinien. Hierdurch wird es erstmals möglich, absolute Messungen von Plasmapotential, Elektronentemperatur und -dichte mit hoher räumlicher Auflösung (100-400m) vorzunehmen. Mit der verbesserten Methodik erreicht man nunmehr eine quantitative Übereinstimmung mit Impedanzsondenmessungen und Ionogrammen. Der zweite Langmuirsensor registriert Dichtefluktuationen im Frequenzbereich 10Hz - 1,5kHz. Wir finden eine ausgeprägte Überhöhung der Fluktuationen in Verbindung mit Dichteeinbrüchen am Unterrand der F-Schicht.

Elektronendichtebestimmung an einem ECR-Plasma mittels Mikrowelleninterferometrie

•C. Mannel und K. Wiesemann
Experimentalphysik insb. Gaselektronik, Ruhr-Universität Bochum, D-44780 Bochum, Germany

Mit einem 70 GHz Mikrowelleninterferometer wurde ein ECR-Plasma bei verschiedenen Plasmabedingungen untersucht. Die an diesem Plasma mittels Interferometrie bestimmten Elektronendichten, werden mit anderen Meß methoden, insbesondere mit Langmuir-Sondenmessungen und mit spektroskopischen Messungen, verglichen.

Um mit dem Interferometer einen hinreichend groß en Dichtebereich eindeutig bestimmen zu können, wurde ein Aufbau mit einem schnellen Phasenflip gewählt. Dabei wird mit Hilfe eines schnellen Diodenschalters und eines möglichst vollständig reflektierenden Kurzschluß schiebers die Längendifferenz zwischen Referenz- und Meß zweig des Interferometers so verändert, daß man gezielt eine zusätzliche Phasenverschiebung von 90^o hervorrufen kann. Ein Phasendetektor liefert bei einer Phasenverschiebung f, die durch das Plasma hervorgerufen wird, Signale proportional zum Sinus dieses Phasenwinkels. Durch Umschalten des Diodenschalters erhält man ein weiters Signal proportional zum Kosinus des Phasenwinkels und kann aus dem Verhältnis dieser beiden Signale Phasenwinkel f bis zu 2p eindeutig bestimmen, um so Dichten bis zu 2x10¹⁸ m^-3 zu ermitteln. Die bei diesem Aufbau auftretenden Probleme und Fehlerquellen werden diskutiert.

Niederenergetische Röntgenspektroskopie an einer EZR-Entladung in N₂

•U. Wolters¹, K. Wiesemann¹, F. Ullmann², T. Werner² und G. Zschornack^2
1Experimentalphysik insb. Gaselektronik, Ruhr-Universität Bochum, D-44780 Bochum, Germany
²Institut für Kern- Teilchenphysik, Techn. Universität Dresden D-01062 Dresden

An der Bochumer EZR-Entladung wurden mit einem Si(Li)-Halbleiterdetektor systematische Untersuchungen der emittierten Röntgenstrahlung eines Stickstoff-Niederdruckplasmas im Energiebereich unter 10 keV durchgeführt. Besonderes Interesse galt der Spektroskopie der charakteristischen Stickstoff-K-Linien (ca. 400 eV), deren Energie mit dem Ladungszustand der Ionen variiert. Das Auflösungsvermögen des Detektors (ca. 120eV) ließ keine Trennung der einzelnen Linien zu, jedoch können aus der Form des gemessenen Summenpeaks Rückschlüsse auf die Ladungszustandsverteilung im Plasma gezogen werden.

Die Auswertung der gemessenen Bremsstrahlung erlaubt die Charakterisierung der für die Produktion hochgeladener Ionen bevorzugten Plasmazustände.

Ergebnisse für verschiedene Plasmazustände werden diskutiert.

Spektroskopischer Vergleich zwischen einem EZR-Plasma mit einfachem magnetischen Spiegelfeld und einer EZR-Ionenquelle mit Hexapolkonfiguration

•A. Nadzeyka¹, C. Mannel¹, N. Bibinov² und K. Wiesemann^1
1Experimentalphysik insb. Gaselektronik, Ruhr-Universität Bochum , D-44780 Bochum
²Research Institute of Physics, St. Petersburg State University, Ulyanovskaya Str. 1, St Petershof, 198904 St. Petersburg, Russia

Mit Hilfe eines Stoß-Strahlungs-Modells und absolut gemessener Linienintensitäten konnte in einem Stickstoffplasma in unserer großvolumigen EZR-Entladung die Elektronenverteilungsfunktion ü ber einen weiten Energiebereich bestimmt werden. Dabei zeigte sich, daß in diesem Plasma der größte Teil der Elektronen Energien unterhalb 4 eV besitzt. Dies hat Auswirkungen auf die Ionisierungsbilanz. Abschätzungen zeigen, daß Volumenrekombinationen der Ionen nicht vernachlässigt werden können. Jüngste Messungen an einer 10 GHz EZR-Ionenquelle mit einem VUV-Spektrometer lassen auch hier auf das Vorhandensein niederenergetischer Elektronen schließen. Weitere Ergebnisse werden diskutiert.

Vergleich von Messungen und Rechnungen der Balmer-Linien-verhältnisse in Niederdruckplasmen

•S. Meir, U. Fantz und K. Behringer
Lehrstuhl für Experimentelle Plasmaphysik, Institut für Physik, Universität Augsburg, 86135 Augsburg

In mikrowellenangeregten H₂/He und D₂/He Plasmen (T_e = 1.5-5eV, p = 2-20Pa) wurden mittels optischer Emissionsspektroskopie die Balmer-Linien gemessen und deren Verhältnisse (H_a/H_b, H_a/H_g, ...) bestimmt. Diese Werte wurden mit Ergebnissen aus verschiedenen Stoß-Strahlungs-modellen zur Berechnung der Linienintensitäten verglichen, in denen auch der Einfluss der optischen Dicke berücksichtigt werden kann. Hierbei zeigte sich, daß die optische Dicke von L_a eine Rolle in diesen Plasmen spielt, wodurch auch die Besetzung der höher angeregten Zustände (n=3, n=4, ...) verändert wird. Durch Beimischungen von N₂ und Kr im Plasma wurde versucht, die optische Dicke zu reduzieren. Es werden die Ergebnisse der Linienverhältnisse H_a/H_n in Abhängigkeit von der H-Dichte und von der Elektronentemperatur vorgestellt.

VUV-Emissionsspektroskopie an mikrowellenangeregten H₂- und D₂-Plasmen

•A. Kottmair, U. Fantz und K. Behringer
Lehrstuhl für Experimentelle Plasmaphysik, Institut für Physik, Universität Augsburg, 86135 Augsburg

In mikrowellenangeregten H₂- und D₂-Plasmen wurden im Wellenlängenbereich von 120 - 300 nm die Wernerbande ( C¹P_u -X¹S⁺_g), die Lymanbande (B¹S⁺_u - X¹S⁺_g), das Wasserstoffkontinuum (a³S⁺_g - b³S⁺_u) und L_a gemessen. Aus den Molekülbanden wurden die Rotations- und Vibrationsbesetzungen der angeregten Zustände bestimmt. Mit den verschiedenen Vibrationsbesetzungen der angeregten Niveaus wurde unter Annahme des Franck-Condon-Prinzips für elektronische Anregung auf die Vibrationsbesetzung im Grundzustand geschlossen. Die ermittelten Rotations- und Vibrationsbesetzung im Grundzustand werden mit Ergebnissen aus früheren Messungen der Fulcherbande ( d³P_u -a³S_g⁺) [1] und der Gastemperatur verglichen. Aus der Strahldichte des Wasserstoffkontinuums lässt sich unter Verwendung des Koronamodells und des Anregungsratenkoeffizienten die Elektronentemperatur bestimmen. Anhand der Linienverhältnisse von L_a zu den Balmerlinien wird die optische Dicke von L_a in diesen Plasmen diskutiert. Insbesondere wird auf den Vergleich von Wasserstoff und Deuterium eingegangen.

[1] U. Fantz, B. Heger, Plasma Phys. and Contr. Fusion (1998), in print

Charakterisierung eines Freistrahlplasmas durch Emissionsspektroskopie und Laser-Thomson-Streuung

•D. Schinköth¹, G. Bauer², K. Hirsch¹, H. Jentschke¹ und U. Schumacher^1
1Institut für Plasmaforschung, Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 31, D-70569 Stuttgart
²Institut für Thermodynamik der Luft- und Raumfahrt, Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 31, D-70569 Stuttgart

Mit der Laser-Thomson-Streuuung werden in einem luftähnlichen Freistrahlplasma für unterschiedliche Entladungsbedingungen (Bogenstrom 1400A/1500A, Druck 1050Pa) an verschiedenen axialen Positionen die Elektronentemperatur T_e (8000K - 30000K) und die -dichte n_e (10¹⁸m^-3 - 10²¹m^-3) radial aufgelöst bestimmt. Emissionsspektroskopisch werden an denselben Positionen ebenfalls radial aufgelöst die Strahldichten von NII-, NI- und OI-Linien gemessen. Unter der Voraussetzung von Zylindersymmetrie lassen sich durch Abelinversion die lokalen Emissionskoeffizienten bestimmen, die als Eingangsparameter für die Stoß-Strahlungs-Modellrechnungen dienen. In dem heißeren Bereich, in dem die NII-Linie nachweisbar und auswertbar ist, werden selbstkonsistent neben den atomaren Teilchendichten auch T_e und n_e bestimmt und mit den Ergebnissen der Streuung verglichen. In den anderen Bereichen werden die Ergebnisse der Streuung als zusätzliche Eingangsparameter benutzt.

Gefördert durch die DFG (SFB 259)

In situ Diagnostiken für die Wechselwirkungszone zwischen Plasmafreistrahl und C/C-SiC-Materialprobe

•I. Altmann, K.-L. Barth, K. Hirsch, H. Jentschke, S. Klenge, A. Lunk, B. Roth, D. Schinköth und U. Schumacher
Institut für Plasmaforschung, Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 31, D-70569 Stuttgart

Verschiedene in situ Meßverfahren wurden zur Untersuchung von Hitzeschutzmaterialien für den Wiedereintritt von Raumflugkörpern entwickelt und erprobt. Diese Verfahren dienen einerseits dazu, die plasmachemischen Vorgänge in der Wechselwirkungszone zwischen Plasmafreistrahl und C/C-SiC-Materialprobe zu untersuchen. Andererseits werden die Oberflächenreaktionen und die Erosionsraten während der Wärmebelastung kontinuierlich beobachtet. Emissions- und absorptionsspektroskopische Untersuchungen - unterstützt durch Laser-Thomson-Streuung - bestimmen die Parameter des Plasmas und die der Erosionsprodukte. Spektrogramme (spektrale räumliche Intensitätsverteilungen) und Korrelationsuntersuchungen der Plasmafluktuationen zeigen das Umströmungsverhalten des Plasmafreistrahls in der Wechselwirkungszone und erlauben die in situ Beschreibung der Vorgänge. Beobachtung der zeitlichen Entwicklung lokaler spezifischer Emissionsgrade von C/C bzw. SiC gestatten die Bestimmung der Erosionsrate, die in guter Übereinstimmung mit gravimetrischen Messungen und SiI-Fluß-Messungen sind.

Gefördert durch die DFG (SFB 259)

Bestimmung der Neutronenausbeute an TEXTOR mittels Aktivierungsproben mit kurzer Halbwertzeit

•F. Gadel"-meier, R. Bätz"-ner, M. Fried"-mann, K. Hübner, S. Schill und B. Wolle
Institut für Angewandte Physik, Universität Heidelberg, Albert-Üb"-er"-le-Str. 3-5, 69120 Heidelberg.

Die Aktivierungsmessungen stellen ein Standardverfahren zur Kalibrierung der Neutronenzähler an Fusionsexperimenten dar. Routine"-mäs"-sig läßt sich die Neutronenausbeute am besten durch Aktivierungsmessungen mit Proben mit kurzer Halbwertzeit bestimmen. Dies ermöglicht gleichzeitig Studien der Einflüsse verschiedener Plasmaparameter auf die Kalibrierung der Neutronenzähler. An TEXTOR wurden Gold- bzw. Yttrium-Proben am Plasmarand durch die 2,5 MeV-Fusionsneutronen aktiviert. Dabei entstehen kurzlebige Isomere mit Halbwertzeiten von ~ 7s bzw. ~ 16s. Zur Bestimmung der Probenaktivität wurde ein Meßsystem für zeitlich variierende Zählraten aufgebaut. Damit kann die Aktivität der Proben mit einer Genauigkeit von 3% gemessen werden. Der Fluenzfaktor, der die Neutronenfluenz am Probenort für eine bestimmte Neutronenausbeute angibt, wurde für eine Standardentladung mit Hilfe des Neutronentransport-Codes MCNP berechnet. Der Fehler des Fluenzfaktors beträgt 8% und geht als systematischer Fehler in das Meßergebnis ein. Die absolute Genauigkeit der Meßmethode wurde durch Aktivieren von Indium als Referenzmaterial überprüft. Die kurze Halbwertzeit sowie der hohe Wirkungsquerschnitt der Gold- und Yttrium-Proben ermöglichen jetzt routinemäßige Neutronenausbeutemessungen selbst bei Plasmaentladungen mit geringer Neutronenausbeute von ~ 10¹¹ Neutronen.

Messungen der Elektronendichte in der Mikrowellen-Plasmaquelle SLAN mit der Plasmaoszillationsmethode

•A. Schwabedissen, Ch. Soll, A. Brockhaus und J. Engemann
Forschungszentrum für Mikrostrukturtechnik-fmt, Bergische Universität GH Wuppertal, Obere Lichtenplatzer Str. 336, 42287 Wuppertal

Die absolute Elektronendichte im Downstream-Bereich einer 2.45 GHz Mikrowellen-Plasmaquelle SLAN ist mit der Plasmaoszillationsmethode bestimmt worden. Bei der Plasmaoszillationsmethode wird ein schwacher Elektronenstrahl in das Plasma injiziert. Dieser Elektronenstrahl regt oberhalb eines Schwellwertes aufgrund einer Zweistrahl-Instabilität eine Plasmaschwingung an, deren Frequenz sehr nahe der (Elektronen-) Plasmafrequenz liegt. Detektiert man diese Frequenz mittels einer Antenne im Plasma, so erhält man unmittelbar die Elektronendichte, da die Plasmafrequenz proportional zur Wurzel der Elektronendichte ist. Ein Vergleich der Ergebnisse der Plasmaoszillationsmethode mit Langmuirsondenmessungen ergibt eine befriedigende Übereinstimmung für Ar und Ar:O₂ Gasgemische. Weiterhin werden Ergebnisse der Plasmaoszillationsmethode in beschichtenden Plasmen (Ar:O₂:HMDSO) vorgestellt, in denen Langmuirsondenmessungen aufgrund von dielektrischen Schichten auf der Sondenoberfläche bereits bei sehr geringem HMDSO Partialdruck verfälscht werden.

Plasmadiagnostik am wandstabilisierten Lichtbogen mittels entarteter Vierwellenmischung

Patrick Gassner¹, Kurt Iskra¹, Jürgen Flieser¹, Alexander Morozov^1,2, Peter Vorotnev^1,2 und Theo Neger^1
2Institute of Physics, St.Petersburg State University, Russia
¹Institut für Experimentalphysik, Technische Universität Graz, Austria

Gegenüber herkömmlichen optischen plasmadiagnostischen Verfahren, wie emissionsspektroskopischen und interferometrischen Methoden, erlaubt die entartete Vierwellenmischung nahezu punktförmige räumliche Auflösung, während oben genannte Techniken lediglich eine integrale Meßgröße längs der gewählten Beobachtungsrichtung durch das Plasma liefern. Die Anwendbarkeit der hier präsentierten nichtlinearen spektroskopischen Methode bei hohen Temperaturen wird an einem wandstabilisierten Lichtbogen untersucht. Spektroskopisch wird Stickoxid als Spurengas nachgewiesen, das im Verhältnis von 1:1000 dem Trägergas Argon beigemengt ist. Zur Verfügung steht ein gepulstes Farbstofflasersystem. In einer Vorwärtsboxgeometrie werden drei Laserstrahlen gleicher Wellenlänge (bei 226 nm) in der Testzone zur Überlagerung gebracht, der laserähnliche Signalstrahl wird nach räumlicher Filterung über Multiplier und Boxcarsystem detektiert.

Hochempfindliche Bestimmung niedriger Elektronendichten mit Dispersionsinterferometrie

•M. Schmidt, K. Grützmacher und A. Steiger
Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Abbestr. 2 -12, D 10587 Berlin

Die präzise Bestimmung der Elektronendichte ist unerläßlich in weiten Teilen der Plasmaphysik, z.B. bei der experimentellen Überprüfung der Starkverbreiterungstheorien. Für den mit konventioneller Zwei-Wellenlängeninterferometrie schwer zugänglichen Bereich um 10¹⁴ cm^-3 wurde ein neuartiges Dispersionsinterferometer aufgebaut. Dabei wird ein geringer Teil der Strahlung eines cw Nd:YAG Lasers sowohl vor als auch nach dem Plasma frequenzverdoppelt, und die resultierende Interferenz ist ein empfindliches Maß für die Elektronendichte. Bei einer Plasmalänge von 100 mm wurde eine Auflösung besser als 1·10¹³ cm^-3 erreicht, wobei der Durchmesser des Meßvolumens kleiner als 300 mm war.

Optisch-Parametrischer-Oszillator mit injection seeding für die Laserspektrometrie an Plasmen

•A. Bustillo, K. Grützmacher und L. Werner
Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Abbestr. 2 -12, D 10587 Berlin

Zwei-Photonenspektroskopie am atomaren Wasserstoff erfordert gepulste Strahlung höchster spektraler Qualität bei 243 nm (1S-2S Übergang) oder 205 nm (1S-3S/3D Übergang). Neu entwickelte UV-Laserspektrometer nutzen die zweite und dritte Harmonische eines Nd:YAG-Lasers, um mittels Frequenzaufspaltung in optisch-parametrischen Prozessen und anschließender Frequenzmischung UV-Strahlung zu erzeugen. Bisher eingesetzte kommerzielle Komponenten erlauben aber keine zuverlässige Frequenzkontrolle. Deshalb wurde ein optisch-parametrischer Oszillator (OPO) mit injection seeding aufgebaut, der eine wesentlich bessere Frequenzkontrolle ermöglicht. Mit 20 mJ (8 ns) der zweiten Harmonischen werden etwa 1,5 mJ (4 ns) OPO Strahlung bei 772 nm erzeugt, und die Bandbreite liegt unter 200 MHz. Diese Strahlung wird anschließend nach 243 nm konvertiert.

Ein neues, polarisationsempfindliches Interferometer zur Bestimmung der Elektronendichte eines Plasmas.

•Boris Küche"-mann, Henry Hermann und Volkmar Helbig
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Universität Kiel, 24098 Kiel

Wir berichten von einer neuen Anordnung zur Plasmainterferometrie. Mit einem CO₂-Laser (l = 10.6m) wird ein Mach-Zehnder-Interferometer in abgewandelter Aufstellung beleuchtet. In Meß - und Referenzarm werden die Laserstrahlen senkrecht zueinander polarisiert. Hinter dem Interferometer werden die beiden Teilstrahlen in einem l/4 Plättchen vereinigt und danach mittels zweier pyroelektrischer Detektoren polarisations-sensitiv nachgewiesen. Aus der Änderung des Verhältnisses der beiden Detektorsignale läß t sich auf die Änderung der Elektronendichte des Plasmas zurückrechnen. Es werden erste Ergebnisse von Messungen an einem Helium- und einem Argonlichtbogen gezeigt.

Starkeffekt-Verschiebung der Balmer-alpha Linie bei hohen Elektronendichten.

•Ernst Lenz, Markus Stange, Frank Bock und Volkmar Helbig
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Universität Kiel, 24098 Kiel

Die Starkeffekt-Verschiebung der Balmer-alpha Linie des Wasserstoffes wurde in einem Laser-erzeugten Plasma vermessen. Dabei befand sich das Target in einer Druckzelle, die Betriebsdrücke zwischen 0.01 und 10 bar ermöglichte. Zur Erzeugung des Plasmas standen wahlweise ein YAG- und ein CO₂-Laser zur Verfügung. Über den zeitlichen Abstand des Beobachtungsfensters der gepulst betriebenen CCD-Kamera vom Laserpuls und durch die Änderung des Druckes in der Target-Zelle konnte die Elektronendichte um etwa eine Größenordnung variiert werden. Die Elektronendichte wurde aus der Breite der Balmer-alpha selbst bestimmt. Dazu wurden die Verbreiterungsparameter der Theorie entnommen. Die Verschiebung wurde bis zu einer Elektronendichte von knapp 10¹⁹cm^-3 vermessen und mit experimentellen und theoretischen Werten verglichen.

Van der Waals-Verbreiterung von Mg II Linien durch Helium.

•Frank Gunzer, Roland Bock, Andreas Schmidt und Volkmar Helbig
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Universität Kiel, 24098 Kiel

In einen Helium-Hochdrucklichtbogen (p_max = 200 atm.) werden durch Abdampfen aus der Anode geringe Mengen von Magnesium eingebracht. Eine geeignete Dotierung der Anode ermöglicht die Beobachtung der Magnesium Resonanzlinien bei 2796Å und 2803Å reabsorptionsfrei und aus optisch dünner Schicht. Die mit einer CCD Kamera side-on registrierten Spektren werden zur Auswertung Abel-invertiert. Die Verbreiterung der Linien enthält neben dem Einfluß der Apparatebreite und des Dopplereffektes im wesentlichen Beiträge vom Starkeffekt der freien Plasma-Elektronen und von der van der Waals-Verbreiterung durch die neutralen Heliumatome. Zur Plasmadiagnostik werden simultan zu den Messungen der Magnesiumlinien auf einem zweiten Kanal Linien zur Bestimmung der Elektronendichte und der Plasmatemperatur registriert.

Dopplerfreie, optogalvanische Spektroskopie an der Wasserstoff Balmer-alpha Linie.

•Hermann Bäcker, Thilo Krähmer, Christian Staege, Torge Rieper und Volkmar Helbig
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Universität Kiel, 24098 Kiel

Bei der optogalvanischen Spektroskopie an Gasentladungen wird die Impedanzänderung bei resonanter Einstrahlung mit einem Laser nachgewiesen. Das Verfahren gestattet gegenüber klassischen Absorptionsmessungen eine Steigerung der Nachweisempfindlichkeit von ein bis zwei Größenordnungen. Erstaunlich selten wurde bisher diese hohe Empfindlichkeit für die Dopplerfreie Spektroskopie genutzt. Wir berichten über Dopplerfreie Messungen an der Balmer Linie H-alpha in der positiven Säule einer zylindrischen Niederdruckgasentladung und in einer Parallelplattenentladung. Ziel der Untersuchungen ist es, aus Breite und Verschiebung der aufgelösten Feinstrukturkomponenten Informationen über die Elektronendichte und die Feldstärkeverteilung in der Entladung zu erhalten.

Einsatz eines IR-Spektrometers mit Multipassanordnung an einem CH₄/O₂ RF-Plasma

•I. Möller, C. Busch und H. Soltwisch
Institut für Experimentalphysik V, Ruhr-Universität Bochum

Reaktive Kohlenwasserstoff-Plasmen mit Beimischungen von Sauerstoff zeigen eine komplexe Plasmachemie, die bisher nur unzureichend verstanden ist.

Da molekulare Spezies charakteristische Absorptionsbanden im Infraroten besitzen, können Eigenschaften wie Dichte und Temperatur aus der Form und Größe von Absorptionsprofilen bestimmt werden.

Zu diesem Zweck wurde ein mit Diodenlasern arbeitendes IR-Spektrometer aufgebaut, das eine zur Bestimmung der Linienprofile notwendige spektrale Auflösung besitzt und dessen Sensitivität durch eine Multipassanordnung nach Herriott gesteigert wird.

Das Spektrometer wird zur Untersuchung von Teilen der Plasmachemie einer kapazitiv gekoppelten Methan/Sauerstoff-Entladung bei n_RF = 13.56 MHz eingesetzt.

Der experimentelle Aufbau und Messungen am Plasma werden vorgestellt.

Lichtstreuung an reaktiven RF-Plasmen in einer kapazitiv gekoppelten Entladung

•M. Kaczor, S.V. Singh und H. Soltwisch
Institut für Experimentalphysik V, Ruhr-Universität Bochum

Reaktive RF-Plasmen in kapazitiv gekoppelten Entladungen zeichnen sich durch vergleichsweise niedrige Elektronendichten von 10¹⁵ m^-3 bis 10¹⁷ m^-3 und Elektronentemperaturen von einigen eV aus. Für die Thomson-Streuung an diesen Plasmen wurde in vorangegangenen Arbeiten eine Vielkanal-Streudiagnostik entwickelt, die parallel in acht spektralen Kanälen einzelne Photonen detektieren und den zeitlichen Verlauf des Streulichtes erfassen kann. Als Lichtquelle wurde ein abstimmbarer, frequenzverdoppelter Ti:S-Laser mit 1 kHz Repetitionsrate und 1 mJ pro Laserschuß gewählt. Es soll gezeigt werden, daß sich dieses System einerseits dazu eignet, durch die Wahl einer entsprechenden Wellenlänge das Plasma-Eigenleuchten für die Thomson-Streuung weitgehend zu reduzieren, und daß es andererseits die Möglichkeit bietet, gezielt laser-induzierte Fluoreszenz geringer Intensität anzuregen.

CARS- Diagnostik und Modellierung an dielektrischen Barrierenentladungen

M. Baeva¹, A. Dogan¹, •A. Pott¹, J. Uhlenbusch¹ und J. Ehlbeck^2
2Institut für Niedertemperatur-Plasmaphysik e.V. Greifswald
¹Institut für Laser- und Plasmaphysik, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Dielektrisch behinderte Entladungen (DBE) mit planaren und Messerelektroden sind in N₂, O₂, NO Gasmischungen bei einem Druck von 20 bzw. 98 kPa untersucht worden. Die Zündung wird mit unipolaren bzw. bipolaren Hochspannungspulsen (Amplitude 10 kV, Wiederholungsfrequenz 1 kHz, 2 kHz) realisiert. Die rotatorische und vibratorische Anregung der N₂-Moleküle sowie die NO-Reduktion wurden mittels der kohärenten anti-Stokes Raman Streuung ermittelt. Die Rotationstemperatur entspricht Zimmertemperatur, die Vibrationstemperatur beträgt bei Normaldruck 800 K und bei einem Druck von 20 kPa 1400 K. 1D kinetische Modelle der Vibrations- und der chemischen Kinetik wurden entwickelt. Dabei wurden 35 Prozesse mit 10 Spezies berücksichtigt. Die Modellierung bestätigt, daß die DBE in N₂/NO Gemischen die NO-Konzentration reduziert. Die Präsenz von O₂ bereits in geringen Mengen verschlechtert die NO-Zersetzung. Die Besetzungsdichten der vibratorisch angeregten Niveaus des molekularen Stickstoffs erhält man aus Modellrechnungen. Diese sind in guter Übereinstimmung mit den Meßergebnissen.

Das Projekt wurde teilweise vom BMBF gefördert (FKZ 13N6368)

RECARS-Messungen an einem InI-/Hg-Plasma

•M. Bruchhausen, J. Voigt und J. Uhlenbusch
Institut für Laser- und Plasmaphysik, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Glühlampen werden mehr und mehr durch Entladunglampen ersetzt. Dies liegt zum einen daran, daß der Wirkungsgrad bei Entladungslampen (ca. 200 lm/W) deutlich höher liegt als der herkömmlicher Glühlampen (typisch 12 lm/W) und zum anderen an der erhöhten Lebensdauer. Trotzdem sind die in solchen Lampen ablaufenden Prozesse (wie Molekültransport vom Plasmarand zum Bogen, Dissoziaton etc.) noch nicht gut verstanden. Deshalb wollen wir InI - einen Metallhalogenidzusatz in Hg-Dampflampen - als Indikatormolekül für die Messung des Temperaturprofils im Plasma benutzen.

Dazu wurden in einem ersten Schritt mittels der resonanzverstärkten kohärenten Anti-Stokes Raman Streuung (RECARS) bei niedrigem Druck (100 Pa) in einem reinen InI-Plasma Spektren aufgenommen und mit gerechneten Spektren verglichen, um die einzelnen Übergänge zu identifizieren. In einem zweiten Schritt wurden die InI- und Hg-Partialdrücke sukzessive auf 1 kPa InI (10¹⁷/cm³) und 100 kPa (10¹⁹/cm³) erhöht und entsprechende Spektren aufgenommen.

Im Hinblick auf die Temperaturauswertung in der Lampe wurde die Temperaturabhängigkeit der RECARS-Spektren untersucht.

Dieses Projekt wurde von der DFG im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 191 Teilprojekt B6 gefördert.

Modellierung der Kinetik einer gepulsten mikrowellenangeregten Entladung in Sauerstoff

•M. Baeva, X. Luo, B. Pfelzer, T. Repsilber und J. Uhlenbusch
Institut für Laser- und Plasmaphysik, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, Universitätsstr. 1, 40225 Düsseldorf

Ein Modell der Kinetik der chemischen Reaktionen und der Energieaustauschprozesse im Mikrowellenplasma in O₂ wurde entwickelt. Ziel dieses Modells ist die Beschreibung der ablaufenden Kinetik in Zusammenhang mit den durchgeführten Experimenten. Die im Plasma absorbierten Mikrowellenleistung folgt aus den entsprechenden Messungen. Das Modell berücksichtigt 60 Prozesse zwischen den Elektronen, O₂, O, O ₂(a¹D), O₂(b¹S), O₃, O⁺, O^-, O ₂⁺ und O₂^-. Es liefert die Teilchendichten der genannten Spezies, die mit den gemessenen Werten zu vergleichen sind. Die Elektronendichte wird mittels eines HCN-Laserinterferometers zeitaufgelöst gemessen, die Dichte der negativen Ionen folgt aus der Photodetachmenttechnik und die absolute Dichte atomaren Sauerstoffs wird aus TALIF gewonnen. Eine Erweiterung des Modells beschreibt die vibratorische Anregung molekularen Sauerstoffs und liefert die Verteilung der Dichte in den vibratorischen Niveaus des Grundzustandes O₂(X). Die Ergebnisse werden mit CARS-Messergebnissen verglichen. Die Modellierung zeigt eine gute Übereinstimmung mit dem Experiment.

Untersuchung der NO-Reduktion in einer gepulsten Mikrowellenentladung mittels FTIR und CARS

•H. Gier¹, A. Pott¹, M. Baeva¹, J. Uhlenbusch¹ und J. Höschele^2
1Institut für Laser- und Plasmaphysik,Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
²Daimler-Benz Aerospace / Dornier GmbH, Friedrichshafen

Einen erfolgversprechenden Weg zur Verminderung von Stickoxid (NO_x) Emissionen in DI-Verbrennungsmotoren stellt die Abgasnachbehandlung durch selektive plasmachemische Prozesse dar. Die Messungen wurden an einer gepulsten Mikrowellenentladung durchgeführt, die bei Atmosphärendruck mit einer Festfrequenz von 2,45 GHz betrieben wird. Im Gegensatz zur kontinuierlich betriebenen Entladung erlaubt die gepulste Quelle die Variation zusätzlicher Parameter wie z.B. der Pulslänge (T_Puls). In Abhängigkeit dieser Parameter können Mikrowellenleistungen von 30 bis 300 Watt und Temperaturen im Plasma von 298 bis 6000 K eingestellt werden. Somit können Plasmen erzeugt werden, die ein nicht-thermisches Verhalten aufweisen. Mit Hilfe eines FTIR-Gerätes werden die NO_x Konzentrationen im nachbehandelten Abgas bei verschiedenen Entladungsparametern gemessen. Es zeigt sich, daß die Entladungsparameter einen erheblichen Einfluß  auf die gemessene NO Konzentration haben. In einer reinen NO/N₂-Entladung (T_Puls = 50 ms, n_rep = 2,5 kHz) wird bei NO-Startkonzentrationen von bis zu 500 ppm bzw. 1000 ppm das NO vollständig bzw. auf ein Drittel reduziert.

Das Projekt wurde teilweise vom BMBF gefördert (FKZ 13N7197/4).

VUV-Flat-Field-Spektrograph mit Orts- und Zeitauflösung

•L. Aschke¹, . Andrei\'c² und H.-J. Kunze^1
1Ruhr-Universität Bochum, Institut für Experimentalphysik V, 44780 Bochum
²Ruder Bokovi\'c Institute, Division of Materials Science, Bijenika 54, 10000 Zagreb, Kroatien

Mit Hilfe von verschiedenen Mikrokanalplatten, Spiegel- und Spalt-Voroptiken sowie Abbildungkombinationen aus zwei Objektiven auf eine CCD wird ein Standard VUV-Flat-Field-Spektrograph mit Hitachi Gitter (1200 l/mm) in ein stigmatisches Instrument mit Zeitauflösung bis 5 ns konvertiert. Die verschiedenen Detektoren und Vor- und Nach-Optiken mit und ohne Zeitauflösung werden systematisch für Spektroskopie an lasererzeugten Plasmen benutzt und die Vor- und Nachteile der Varianten werden analysiert. Im Allgemeinen resultiert zweidimelsionale räumliche Auflösung in beträchtlichen Photonenverlusten, so daß nur zeitintegrierte Spektroskopie möglich ist. Räumliche Auflösung in nur einer Dimension ist hingegen mit Zeitauflösung von 5 ns oder mehr verträglich und ermöglicht Spektren mit gutem Signal-Rausch-Verhältnis.

Axial aufgelöste Thomson-Streuung am Gas-Liner Pinch

•Th. Wrubel, S. Büscher, S. Seidel und H.-J. Kunze
Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum

Plasmen hoher Dichte (n_e » 10¹⁸ cm^-3) können wegen der Dominanz der Stark-Verbreiterung gegenüber anderen Verbreiterungsmechanismen und der Möglichkeit einer unabhängigen Diagnostik zum Testen von Theorien zur Stark-Verbreiterung herangezogen werden. Hierzu ist es von großer Wichtigkeit, die Plasmaparameter Elektronendichte und Temperatur mit hoher Zuverlässigkeit zu bestimmen. Die Thomson-Streuung am Gas-Liner Pinch kann nun auch in axialer Ortauflösung zeitgleich mit spektroskopischen Messungen durchgeführt werden. Es werden die bestimmten axialen Verteilungen der Elektronendichte, der Temperatur, der Konzentration der Verunreinigungen und der Geschwindigkeit des Plasmas diskutiert. Eine Einordnung der Ergebnisse in aktuelle Probleme auf dem Feld der Stark-Verbreiterung wird gegeben.

Entwicklung und Erprobung eines Surface-Discharge-Vapor-Injektors für einen Gas-Liner Pinch

•S. Seidel, S. Büscher, Th. Wrubel und H.-J. Kunze
Ruhr-Uni Bochum, 44780 Bochum

Am Gas-Liner Pinch in Bochum werden Linienprofile von Übergängen in verschiedenen Atomen und Ionen untersucht und mit theoretischen Daten verglichen. Thomson-Streuung dient dabei zur gleichzeitigen Diagnostik des Pinchplasmas.

In einem Gas-Liner Pinch werden zwei Gase durch schnelle elektromagnetische Ventile in das Entladungsgefäß eingeschossen. Dabei wird zunächst durch das Arbeitsgas eine hohlzylindrische Gassäule erzeugt, welche ionisiert wird und aufgrund des Entladungsstroms und des hieraus resultierenden Pincheffektes implodiert. Im Zentrum des implodierenden Plasmazylinders wird dann durch das zweite Ventil eine gezielte Verunreinigung, das Testgas, eingegeben, welches spektroskopisch untersucht wird.

Die Möglichkeiten der Linienprofiluntersuchungen beschränken sich hierbei allerdings bisher auf Elemente, welche unter Normalbedingungen in Gasen enthalten sind. Zur Erweiterung der Untersuchungsmöglichkeiten wird aus diesem Grund am Gas-Liner-Pinch ein Injektionssystem entwickelt, welches erlaubt, Festkörper durch eine Oberflächenentladung zu verdampfen, so daß die entstandenen Teilchen dem Pinch als „ Testgas“  zugeführt werden können. Erste Entwicklungs- und Erprobungsergebnisse sollen vorgestellt werden.

Bestimmung von Ratenkoeffizienten für Elektron-Atom-Stöße in dem Helium-Plasma einer magnetischen Multipol-Plasmaquelle mittels laserinduzierter Fluoreszenz

•R. Denkelmann, S. Maurmann, P. Drepper und H.-J. Kunze
Institut für Experimentalphysik V, Ruhr-Universität Bochum

Ratenkoeffizienten für die Stoßanregung von neutralem Helium aus dem Grundzustand sind experimentell und theoretisch gut bekannt. Experimentell schwer zugänglich sind dagegen die Raten für die (Dn=0)-Übergänge zwischen angeregten Zuständen bei niedrigen Elektronentemperaturen.

Für die experimentelle Untersuchung stand eine magnetische Multipol-Plasmaquelle zur Verfügung, die sowohl kontinuierlich als auch gepulst betrieben werden konnte. Mittels einer raum- und zeitaufgelösten Sondenmessung konnte das Plasma diagnostiziert werden. Es zeigte sich, daß im Zentrum der Entladung ein homogenes Plasma mit - je nach Entladungsbedingung bei Fülldrücken von wenigen Pascal - einer Elektronentemperatur von 0.3 eV £ kT_e £ 5 eV und einer Elektronendichte von 10¹¹ cm ^-3 £ n_e £ 10¹³ cm^-3 vorliegt.

Hier werden hauptsächlich Ergebnisse für die Ratenkoeffizienten für Übergänge innerhalb der n = 3 Schale vorgestellt. Ermittelt wurden diese aus dem Relaxationsverhalten eines Plasmas, dessen Gleichgewichtsbesetzung mittels eines kurzen Laserpulses gestört wurde. Je nachdem welcher Übergang optisch angeregt wird, ist es dabei unumgänglich, Polarisationseffekte durch den anregenden Farbstofflaser zu berücksichtigen.

Rayleigh-Streuung und Strahlungsumverteilung an Helium in einer magnetischen Multipol-Plasmaquelle

•P. Drepper, S. Maurmann, R. Denkelmann und H.-J. Kunze
Institut für Experimentalphysik V, Ruhr-Universität Bochum

Die Rayleigh-Streuung (Anregung auf ein virtuelles Niveau) gehört im Gegensatz zur Resonanzfluoreszenz (Anregung auf ein reelles Niveau) zu denjenigen Lichtstreuprozessen, bei denen die eingestrahlte Wellenlänge nicht mit der eines atomaren Übergangs übereinstimmt.

Findet Rayleigh-Streuung in der Nähe eines Resonanzübergangs auf dem Linienflügel statt, so daß das angeregte virtuelle Niveau und das reelle Niveau des benachbarten Übergangs durch Stöße koppeln, kann es zur Strahlungsumverteilung kommen. Das bedeutet, daß Atome, die auf ein virtuelles Niveau angeregt wurden, durch Stöße die Differenzenergie zum benachbarten reellen Niveau erhalten und dann unter Aussenden von Photonen mit der Wellenlänge des Resonanzübergangs relaxieren.

Gemessen wird die Rayleigh-Streuung und Strahlungsumverteilung mit Hilfe eines Excimerlaser-gepumpten Farbstofflasers an einem Resonanzübergang eines Heliumplasmas, das in einer magnetischen Multipol-Plasmaquelle erzeugt wird und eine Elektronentemperatur im Bereich von 0.3 eV £ kT_e £ 5 eV sowie eine Elektronendichte von 10¹¹ cm^-3 £ n_e £ 10¹³ cm^-3 bei einem Fülldruck von 1 Pa £ p_g £ 5 Pa Heliumgas aufweist.

Linienprofile der Balmer_a von Wasserstoff

•S. Büscher, Th. Wrubel, S. Seidel und H.-J. Kunze
Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum

Linienprofile der Balmer_a von Wasserstoff ( l = 656,3 nm) wurden an einem Gas-Liner Pinch untersucht. Dem Zentrum des aus Helium bestehenden Plasmas wird bei dieser Meßreihe Wasserstoff beigemischt. Zeitgleich mit den spektroskopischen Messungen werden die Plasmaparameter mittels Thomson-Streuung bestimmt. Die diagnostizierten Dichten betragen (1-7)×10¹⁸ cm^-3 und werden bei Temperaturen von (2-12) eV erreicht. Die Stark-Breiten der H_a werden mit experimentellen Daten und neueren theoretischen Rechnungen auch in Bezug auf die Temperaturvariation verglichen.

Laserstreuexperimente im Kathodenbereich eines freibrennenden Bogens

•J. Reiche, W. Mende und M. Kock
Institut für Atom- und Molekülphysik, Abteilung Plasmaphysik
Universität Hannover, Callinstrasse 38, D-30167 Hannover

In dem vorgestellten Laserstreuexperiment wird der freibrennende Argonbogen bei Strömen zwischen 2-20 A unter Atmosphärendruck betrieben. Die Kathoden sind Stäbe aus reinem und thoriertem Wolfram mit Durchmessern von 0.5-3 mm. Die Auswertung des 90^° zur Laserachse gestreuten Thomsonsignals liefert die Elektronendichte und -temperatur. Aus dem überlagerten Rayleighsignal wird die Schwerteilchentemperatur bestimmt.
Als Lichtquelle dient ein mit 10 Hz betriebener frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser bei einer Wellenlänge von 532 nm in Verbindung mit einer verstärkten CCD Kamera. Mit der in der Austrittsebene eines 1 m Gitterspektrografen angebrachten CCD Kamera werden die spektral aufgelösten Thomson- und Rayleighsignale aufgenommen. Die räumlichen Dichte- und Temperaturverteilungen der Elektronen und Schwerteilchen bei einer Stromvariation werden vorgestellt. Bei einem Bogenstrom von 5 A ist die Elektronentemperatur 750mm über der Kathodenspitze mit T_e = 8000 K um einen Faktor zwei größer als die Schwerteilchentemperatur. Die Elektronendichte beträgt 8*10²⁰ m^-3.
(Gefördert mit den Mitteln des BMBF unter dem Förderkennzeichen 13N7106/0.)

Untersuchungen zum schnellen optogalvanischen Effekt im Dunkelraum einer Hohlkathodenentladung mittels laserinduzierter Photoionisation und Rayleighstreuung

•Guido Stockhausen und Manfred Kock
Inst. f. Atom- u. Molekülphysik, Abt. Plasmaphysik, Uni Hannover

Der schnelle optogalvanische Effekt entsteht, wenn zusätzliche Ladungsträger im elektrischen Feld des Kathodenfalls einer Gasentladung erzeugt und beschleunigt werden. Er bewirkt die Entstehung schneller Strompulse im Nanosekundenbereich, die sich je nach Ladungsträgerart charakteristisch unterscheiden. [1]

In unseren Experimenten erzeugen wir Ionen-Elektronen-Paare durch laserinduzierte Photoionisation [2] bzw. einen Elektronenstrahl durch Photoemission, ausgelöst durch Rayleigh-Streulicht an der Kathodenoberfläche. Die detektierten Signale erlauben Rückschlüsse auf die Teilchentrajektorien. Ein Vergleich mit verschiedenen Modellen wird vorgestellt und die Anwendungsmöglichkeiten dieses Effektes werden untersucht.

[1]Broglia M, Cantoni F and Zampetti P 1987 Phys.Rev.A 36/2 705-714

[2]Stockhausen G, Mende W, Kock M 1996 J.Phys.B: At.Mol.Opt.Phys 29 665-675

Emissionsspektroskopie im Kathodenbereich eines freibrennenden Bogens

•F. Könemann und M. Kock
Institut für Atom- und Molekülphysik, Abteilung Plasmaphysik, Universiät Hannover

Für den Kathodenbereich eines freibrennenden Argonbogens bei Atmosphärendruck werden spektrale Intensitätsverteilungen mit einem 1m Spektrometer und einer gekühlten CCD-Kamera als Detektor aufgenommen. Die Kathoden sind Stäbe aus reinem bzw. thoriertem Wolfram, von 0.5 mm Durchmesser. Der Bogen wurde bei Stromstärken von 2 A bis 25 A untersucht.
Aus den nach einer Abelinversion erhaltenen radialen Intensitätsverteilungen werden Besetzungsdichten einiger angeregter Zustände des neutralen und einfach ionisierten Argons sowie des neutralen Wolframs bestimmt. Zusammen mit den Ergebnissen aus Laserstreuexperimenten am selben Objekt (vergl. Poster von J. Reiche, W. Mende und M. Kock auf dieser Tagung) können sowohl Elektronendichte und -temperatur, als auch Abweichungen vom LTE bestimmt werden.
Die räumliche Auflösung ist sowohl in radialer als auch axialer Richtung besser als 0.1 mm. Dadurch wird es möglich bei bestimmten Brennparametern die Ionisationszone vor der Kathode zu beobachten. Durch Anschaffung einer geeigneten Optik soll das räumliche Auflösungsvermögen besser als 0.01 mm werden.
Das dieser Arbeit zugrunde liegende Vorhaben wird mit Mitteln des BMBF under dem Förderkennzeichen 13N7106/0 gefördert.

Laserstreuexperimente im Kathodenbereich eines freibrennenden Bogens

•J. Reiche, W. Mende und M. Kock
Institut für Atom- und Molekülphysik, Abteilung Plasmaphysik
Universität Hannover, Callinstrasse 38, D-30167 Hannover

In dem vorgestellten Laserstreuexperiment wird der freibrennende Argonbogen bei Strömen zwischen 2-20 A unter Atmosphärendruck betrieben. Die Kathoden sind Stäbe aus reinem und thoriertem Wolfram mit Durchmessern von 0.5-3 mm. Die Auswertung des 90^° zur Laserachse gestreuten Thomsonsignals liefert die Elektronendichte und -temperatur. Aus dem überlagerten Rayleighsignal wird die Schwerteilchentemperatur bestimmt.
Als Lichtquelle dient ein mit 10 Hz betriebener frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser bei einer Wellenlänge von 532 nm in Verbindung mit einer verstärkten CCD Kamera. Mit der in der Austrittsebene eines 1 m Gitterspektrografen angebrachten CCD Kamera werden die spektral aufgelösten Thomson- und Rayleighsignale aufgenommen. Die räumlichen Dichte- und Temperaturverteilungen der Elektronen und Schwerteilchen bei einer Stromvariation werden vorgestellt. Bei einem Bogenstrom von 5 A ist die Elektronentemperatur 750mm über der Kathodenspitze mit T_e = 8000 K um einen Faktor zwei größer als die Schwerteilchentemperatur. Die Elektronendichte beträgt 8*10²⁰ m^-3.
(Gefördert mit den Mitteln des BMBF unter dem Förderkennzeichen 13N7106/0.)

Absorptionsspektroskopie mit frequenzverdoppelten Laserdioden an einem freibrennenden Bogen

•A. Knoche, V. Gies und M. Kock
Institut für Atom- und Molekülphysik, Abteilung Plasmaphysik, Universität Hannover

In einem freibrennenden Argonbogen bei Atmosphärendruck wird der Bereich vor der Wolframkathode untersucht. Zur Bestimmung von Besetzungsdichten und Linienprofilen des neutralen Wolframs wurde ein Laserdioden Absorptionsexperiment aufgebaut. Da in dem interessierenden Wellenlängenbereich von 420 nm bis 430 nm keine kommerziellen Laserdioden erhältlich sind, muß die Strahlung der Laserdioden frequenzverdoppelt werden. Für eine möglichst hohe Verdopplungseffizienz und Ausgangsleistung wurde ein Injection-Locking System mit einer gitterstabilisierten Master-Laserdiode und einer leistungsstarken Slave-Laserdiode aufgebaut. Die Frequenzverdopplung erfolgt mit einen Kaliumniobat-Kristall. Um eine gutes Signal / Rausch Verhältnis bei der Absorptionsmessung zu erreichen, wird die Wellenlängenmodulationsspektroskopie (WMS) angewendet. Es werden Versuchsaufbau und Messungen vorgestellt.

Das dieser Arbeit zugrunde liegende Vorhaben wird mit Mitteln des BMBF unter dem Förderkennzeichen 13N7106/0 gefördert.

Erprobung von alternativen Anregungsschemata zum Nachweis von atomarem Fluor in Entladungen mit Laser-induzierter Fluoreszenzspektroskopie

•A. Francis, U. Czarnetzki und H.F. Döbele
Institut für Laser- und Plasmaphysik, Universität GH Essen, Universitätsstr. 5, 45117 Essen

einmal

Der Nachweis von Radikalen ist bei reaktiven Plasmaentladungen im Hinblick auf technische Anwendungen wie plasmaunterstützte Beschichtungs- und Ätzverfahren von großer Bedeutung. Die quantitative Bestimmung von Konzentrationen atomaren Fluors soll hier durch die Methode der zwei-Photonen-angeregten Laser-induzierten Fluoreszenzspektroskopie (TALIF) erfolgen. Dazu können verschiedene Anregungsschemata mit Laserwellenlängen im VUV-Bereich untersucht werden: 2 x l = 153 nm oder l = 163 nm zusammen mit l = 175 nm. Diese Strahlung wird durch anti-Stokes Raman-Konversion hoher Ordnung der Laserwellenlänge l = 248 nm erzeugt. Dieses Verfahren wird zur Anwendung an einer kapazitiv gekoppelten RF-Entladung derzeit vorbereitet. Zunächst jedoch werden die Fluor-Atome mit Hilfe eines Mikrowellen-Strömungssystems erzeugt, wodurch mit einem Tritrationsverfahren eine Absolutkalibrierung des Detektionssystems möglich ist. Über den derzeitigen experimentellen Stand wird berichtet.

Schichtdynamik in einer kapazitiven RF-Entladung in Wasserstoff

•D. Luggenhölscher, U. Czarnetzki und H.F. Döbele
Institut für Laser- und Plasmaphysik, Universität GH Essen, Universitätsstr. 5, 45117 Essen

Text, genau einmal Die Schichtdynamik in den Randschichten von kapazitiv gekoppelten RF-Entladungen ist wesentlich sowohl für das Verständnis der Wechselwirkung des Plasmas mit den Oberflächen von Elektroden und Substanzen wie auch der Heizung der Elektronen und der Plasmaerzeugung. Laserspektroskopische Methoden zur Messung der elektrischen Feldstärke können einen detaillierten Einblick in die Vorgänge in der Schicht geben. Hierzu ist allerdings neben einer hohen Orts- und Zeitauflösung vor allem eine große Empfindlichkeit hinsichtlich der Messung kleiner Feldstärken erforderlich. Ein von uns entwickeltes, neuartiges laserspektroskopisches Verfahren an atomarem Wasserstoff auf der Basis der 'Fluoreszenz-Dip Spektroskopie' erlaubt nun erstmalig die hochaufgelöste Untersuchung der Schichtdynamik auch bei Feldstärken deutlich unterhalb von 100 V/cm. Die Untersuchungen werden an einer asymmetrischen, kapazitiv gekoppelten RF-Entladung in der GEC-Reference-Cell durchgeführt. Verteilungen der elektrischen Felder, Ladungsträgerdichten in den Schichten, Schichtspannungen sowie Verschiebungs- und Leitungsströme werden an beiden Elektroden bestimmt. Damit ergibt sich ein geschlossenes Bild der Schichtdynamik. Als überraschende Ergebnisse sind u.a. zu nennen: Nachweis der Feldumkehr, Auftreten einer statischen Schichtkante sowie Heizung der Elektronen durch Beschleunigung innerhalb des gesamten Schichtraums. Die Untersuchungen wurden im Rahmen eines BMBF-Projektes (13N6711) durchgeführt.

Messung von Quenchkoeffizienten atomarer Zustände zur quantitativen Fluoreszenzspektroskopie in Hochdruckplasmen

•K. Niemi und H.F. Döbele
Universität GH Essen, Institut für Laser- und Plasmaphysik, Universitätsstr.5, 45117 Essen

Strahlungslose Stoßabregung ('Quenchen') von Zuständen stellt bei Plasmen im Druckbereich größer 100 Pa einen wichtigen Konkurrenzprozeß zur spontanen Emission dar. Deshalb ist zur

quantitativen Anwendung emissionsspektroskopischer Methoden z.B. Aktinometrie oder Laser-induzierte Fluoreszenzspektroskopie die Kenntnis von Quenchkoeffizienten notwendig.

Experimentell werden Quenchkoeffizienten aus dem linearen Zusammenhang zwischen der Abregungsrate eines Zustandes zur Dichte des Quenchgases (Stern-Volmer) bestimmt. Umgekehrt läßt sich mit Hilfe des Quenchkoeffizienten bei bekannter Quenchdichte die Abregungsrate korrigieren, um aus der Intensität der emittierten Strahlung auf die Besetzung des angeregten Zustandes oder bei zusätzlicher Kenntnis der Anregungsrate auf die Grundzustandsbesetzung zu schließen.

Vorgestellt werden TALIF-Messungen zur Bestimmung der Quenchkoeffizienten der atomaren Zustände des Sauerstoffs (2p^{4 3}P₂) und des Xenons (7p[3/2]₂) bezüglich verschiedener Gase (N₂, O₂, NO, ..) und des Verhältnisses der spektral benachbarten Zwei-Photonen Anregungsquerschnitte ( » 225 nm). Diese Daten werden benötigt, um eine TALIF-Messung an atomarem Sauerstoff in einem N₂/O₂ Plasma bei moderaten Drücken durch eine Referenzmessung an reinem Xenon mit definierter Dichte entsprechend dem Rayleigh-Verfahren absolut zu kalibrieren.
Gefördert vom Graduiertenkolleg ''Hochtemperatur-Plasmaphysik''.

Orts- und zeitaufgelöste Emissionsspektroskopie an Molekülbanden in einer Wasserstoff/Argon RF-Entladung

•T. Kawetzki, V. Schulz-von der Gathen und H.F. Döbele
Universität GH Essen, Institut für Laser- und Plasmaphysik, Universitätsstr.5, 45117 Essen

eigentliche Text, genau einmal An einer kapazitiv gekoppelten RF-Entladung bei 13.56 MHz in Ar/H₂-Gemischen (10-100 Pa; 10-100 W) werden orts- und zeitaufgelöste Besetzungsdichtevariationen verschiedener atomarer und molekularer Zustände untersucht. Bei seitlicher Beobachtung wird der axiale Verlauf zwischen den beiden Edelstahl-Elektroden (f = 100 mm, d = 25 mm) mit einer Ortsauflösung von 0.5 mm diagnostiziert. Eine ICCD-Kamera, die in jeder RF-Periode ein verschiebbares Zeitfenster von 5 ns öffnen kann, erlaubt es, mit dem eingesetzten 2 m- Gitterspektrograph spektrale Fenster von ca. 5 nm Breite aufzunehmen. Beobachtet wird, daß die Linien der Fulcher-Diagonalbanden (d³P_u®a³S_g), welche häufig zur Bestimmung der Gastemperatur verwendet werden, deutliche Zeit- und Ortsabhängigkeiten zeigen. Die Untersuchung von Molekül-, Atom- und Ionenlinien unterschiedlicher Anregungsenergien in weiteren spektralen Intervallen liefert Informationen über die Elektronendynamik, die ebenfalls diskutiert werden.
Gefördert im Rahmen des SFB 191 ''Physikalische Grundlagen der Niedertemperaturplasmen''.

Bestimmung der Elektronendichte in einer Methan/ Wasserstoff/ Argon RF-Entladung mit einem 1 mm Mikrowelleninterferometer

•C. Lukas¹, V. Schulz- von der Gathen¹, H.F. Döbele¹, M. Käning² und J. Röpcke^2
1Universität GH Essen, Institut für Laser- und Plasmaphysik, Universitätsstr.5, 45117 Essen
²Institut für Niedertemperatur- Plasmaphysik, Robert-Blum-Str. 8-10, 17489 Greifswald

An einer kapazitiv gekoppelten RF-Entladung bei 13.56 MHz in Gemischen aus Methan, Wasserstoff und Argon werden mit einem 1 mm Heterodyn- Mikrowelleninterferometer Abhängigkeiten der Elektronendichte von Senderleistung und Zusammensetzung des Gasgemisches bei festem Gesamtdruck (100 Pa) untersucht. Beobachtet wird in der zentralen Ebene zwischen den beiden Edelstahl-Elektroden (f = 100 mm, d = 25 mm) mit einer Ortsauflösung von 7 mm. Bei einer unteren Detektionsgrenze von einigen10 ¹⁰cm^-2 liegen die maximalen gemessenen Liniendichten der Elektronen bei einigen10 ¹¹cm^-2 . Bei einer Änderung des Argon-Anteils von 0 auf 90 % am Gesamtdruck steigt dieser Wert um einen Faktor 5 an. Gleichzeitig ändert sich dabei die Elektronenenergieverteilung wie durch einen Vergleich mit unabhängigen Meßverfahren (Emissionsspektroskopie und Infrarot- Laserdioden- Absorptionsspektroskopie) belegt werden kann. Radiale Elektronendichteprofile, die mit Hilfe der Abel- Inversion bestimmt werden, zeigen für diese Entladungsform wie auch im Falle der reinen Gase Argon und Wasserstoff ein Einbrechen im Zentrum.
Gefördert im Rahmen des SFB 191 ''Physikalische Grundlagen der Niedertemperaturplasmen'' und des SFB 198 ''Kinetik partiell ionisierter Plasmen''.

Untersuchungen zur Diagnostik von Neutralen und Radikalen in anisothermen Plasmen mittels Elektronenanlagerung

•H.-E. Wagner , R. Brandenburg und V. Kroutilina
Institut für Physik, Universität Greifswald, Domstrasse 10a, 17489 Greifswald

Ein Plasmamonitor der Firma HIDEN Analytical (Typ EQP 300), ausgerüstet mit einem RGA-System für negative Ionen, wurde bezüglich seiner Empfindlichkeit zur Detektion neutraler Moleküle und Radikale im Elektrodenbereich von Mittelfrequenz (120 kHz) - und HF Entladungen (13,56 Mhz) erprobt. Die Ionenquelle des Monitors ermöglicht die assoziative und dissoziative Resonanzanlagerung von Elektronen an die Spezies und ihre nachfolgende Detektion. Die Untersuchungen konzentrieren sich auf das Modellsystem CO₂ - CO - O₂ im Arbeitsdruckbereich 10 ... 100 Pa. Sie werden zur Zeit auf CF₄ und H₂ O im Gemisch mit He ausgedehnt. Die Messungen erfolgen vergleichend für Orifice Durchmesser von 0.05 mm und 0.15 mm. Insbesondere wird die Partialdruckkalibrierung sowie die Grenze für den Nachweis der Modellsubstanz CO (unter Ausnutzung der Kanäle CO + e = CO^- , C+O^-) angegeben sowie erste Ergebnisse über den Nachweis von Radikalen in CF₄ und H₂ O-Plasmen vorgestellt.

Experimentelle Untersuchungen der Elektronenkinetik in einer zylindrischen Hohlkatodenentladung in Helium

•S. Pfau¹, R. Kozakov¹, M. Otte¹ und J. Rohmann^2
1Inst. f. Physik, Univ. Greifswald, Domstr. 10a, D-17487 Greifswald
²Inst. f. Niedertemperaturplasmaphysik, R.-Blum-Str. 8-10, D-17489 Greifswald

Im Mittelpunkt der experimentellen Untersuchungen in der Hohlkatodenentladung steht die Ausbildung des negativen Glimmlichtes in Abhängigkeit von den Entladungsparametern Druck und Strom. Der Entladungsstrom wurde zwischen 1 und 10 mA und der Druck von 100 bis 500 Pa variiert. Mit Hilfe einer radial verschiebbaren Langmuir-Sonde wurden in der zylindrischen Katode Messungen des elektrischen Potentials und der Feldstärke sowie der Konzentration der Elektronen und ihrer Geschwindigkeitsverteilungsfunktion durchgeführt. Die Messergebnisse zeigen eine ausgeprägte Abhängigkeit der untersuchten Parameter vom Entladungsdruck und -strom. So werden die radialen Potential- und Konzentrationsprofile mit wachsendem Strom und Druck im Achsenbereich der Hohlkatode immer flacher, während die Flanken immer steiler werden und sich in Richtung Katode verschieben. Eine weit kompliziertere räumliche Struktur weisen die Verläufe der mittleren Energie und der Geschwindigkeitsverteilungsfunktion der Elektronen im Bereich des negativen Glimmlichtes auf. Die erhaltenen Resultate geben einen tieferen Einblick in das Relaxationsverhalten der an der Katode ausgelösten Elektronen im Bereich des negativen Glimmlichtes. Die sondendiagnostischen Untersuchungen werden ergänzt durch räumlich aufgelöste Messungen der Linienemission aus diesem Entladungsgebiet.

Bestimmung von absoluten Dichten von Zumischungen in Hochdruckentladungslampen

•E. Kindel¹, M. Kettlitz¹, C. Schimke² und H. Schöpp^1
1Institut für Niedertemperatur-Plasmaphysik, Friedrich-Ludwig-Jahn-Str. 19, 17489 Greifswald
²RayLux-GmbH, Brandteichstraße 19, 17489 Greifswald

Die Beschreibung des Plasmazustandes in Hochdruckentladungslampen und die Berechnung entsprechender Plasmakenngrößen ist an die Kenntnis von Teilchendichten und Temperaturen gebunden. Häufig sind nur die Ausgangsgrößen, wie z.B. die Füllparameter von Entladungslampen, bekannt und gesucht ist die Zusammensetzung des Plasmas während des Betriebes.

Die interferometrische Hakenmethode bietet die Möglichkeit der Bestimmung absoluter Besetzungsdichten angeregter Atome und von Atomen im Grundzustand. Exemplarisch wurden mit ihr die Dichten des resonanten Quecksilber-Zustandes 6³P₁ und die des Grundzustandes 6¹S₀ sowie die Grundzustandsdichte 6²P_1/2 des Thalliums in einer Metallhalogenid-Hochdruckentladung bei unterschiedlichen Leistungen bestimmt. Diese Werte werden mit Ergebnissen der Emissionsspektroskopie verglichen und diskutiert.

Einsatz der Infrarot- Laser- Absorptionsspektroskopie zur Bestimmung der HCl- Konzentration in der gepulsten Gleichstrom- Entladung in einem TiCl₄/N₂/H₂/Ar- Gasgemisch zur TiN- Beschichtung

•F. Hempel, P. Hardt, J. Röpcke und M. Schmidt
Institut für Niedertemperatur- Plasmaphysik e.V. an der EMA- Universität Greifswald

Das Verständnis des TiN- Beschichtungsprozesses erfordert eine mög"-lichst genaue Kenntnis der im Plasma ablaufenden Prozesse. Dazu werden in einer gepulsten Gleichstrom- Entladung (j= 0.6 ... 1.2 mA/cm^-2) mit einer Pulsänge von 100 us und einem Puls / Pausenverhältnis von 1 zu 4 eines Gasgemisches aus 0.24 ... 1.81 sccm TiCl₄, 77 sccm N₂, 417 sccm H₂ und 89 sccm Ar bei einem Druck von 2 mbar in der Nähe der Kathode absorptionsspektroskopische Messungen des im Plasma entstehenden HCl bei der Wellenzahl 3085.679 cm^-1 durchgeführt. Die Teilchendichten werden bei unterschiedlichen Titantetrachlorid- Zumischungen und bei verschiedenen Stromdichten bestimmt. Unter diesen Bedingungen stellen sich HCl- Konzentrationen bis zu 6 x 10¹⁴ cm^-3 ein. Es zeigt sich, daß die HCl- Dichte ab einer TiCl₄- Zumischung von 1 sccm bei Erhöhung der Stromdichte merklich zunimmt. Weiterhin nimmt die Dichte der HCl- Moleküle bei Erhöhung des TiCl₄- Anteils im Gasgemisch zu. Aus dem Vergleich der gemessenen Dichten mit der maximal zur Verfügung stehenden Anzahl von Cl- Atomen bei den verschiedenen Titantetrachlorid- Zumischungen ergibt sich, daß bei einem TiCl₄- Zufluß bis zu etwa 1.5 sccm im Gasgemisch die insgesamt zugeführte Cl- Menge weitgehend vom Wasserstoff gebunden wird.

Charakterisierung eines HF-Plasmas zur Behandlung von mikrodispersen Partikeln

•M. Otte¹, H. Kersten¹, M. Schmidt², M. Hannemann² und R. Hippler^1
2Inst. f. Niedertemperaturplasmaphysik, R.-Blum-Str. 8-10, D-17489 Greifswald
¹Inst. f. Physik, Univ. Greifswald, Domstr. 10a, D-17487 Greifswald

Mikrodisperse Pulverteilchen, die in ein HF-Plasma eingebracht werden, laden sich sehr schnell negativ auf. Infolge dieser Aufladung werden die Teilchen in einem Potentialtopf, der vornehmlich aus der Bilanz von Gewichtskraft und elektrostatischer Feldkraft resultiert, gefangen. Ein erster Schritt zum Verständnis der Wechselwirkung zwischen Plasma und mikroskopischen Festkörpern besteht in der Charakterisierung des ungestörten (partikelfreien) HF-Plasmas. Die Untersuchung der Elektronenkomponente erfolgte mit unterschiedlichen Methoden:

1. Langmuir-Sondendiagnostik,
2. SEERS (self-excited electron resonace spectroscopy) sowie
3. Bestimmung der Randschichtdicke vor der HF-Elektrode.

Entladungsleistung und Gasdruck wurden in einem weiten Parameterbereich variiert: 10 ... 100W, 0.1 ... 1Pa Ar/Luft. Die drei Methoden zur Diagnostik der Elektronenkomponente (n_e   und   kT_e ) werden miteinander verglichen und hinsichtlich ihrer Einsetzbarkeit beim Studium der Plasma-Partikel-Wechselwirkung bewertet.

Ein neues Verfahren zur Absolutkalibration von LIF-Messungen

•St. Franke, A. Dinklage und C. Wilke
Institut für Physik, Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Domstr. 10a, 17487 Greifswald

Vorgestellt wird eine Methode, die es gestattet, aus LIF-Messungen von zwei relativen, räumlichen Profilen, die über das Pumpschema miteinander verkoppelt sind, auf die Absolutkonzentration der spektroskopierten Teilchen zu schließen.

Untersucht wurde die positive Säule einer zylindrischen Neon-Glimmentladung. LIF-Messungen relativer, radialer Profile weisen eine Deformation ihrer Axialsymmetrie auf, wenn die optische Dicke des Säulenplasmas im Fall der betrachteten Übergänge hinreichend groß ist. Ursache ist die Absorption des Fluoreszenzlichtes auf dem Weg durch den Rohrquerschnitt, die zur Verschiebung des Profilmaximums aus der Rohrachse führt. Die Korrektur dieser Asymmetrie führt unter Verwendung des radialen Profils der Absorber zur Absolutkonzentration der absorbierenden Partikel. Dieses Verfahren ist auch im Fall der Deformation des Absorberprofiles anwendbar. Die Absolutkalibration läßt sich durch Absorptionsmessungen mit einem Diodenlasersystem bestätigen. Die Abweichungen beider Methoden voneinander betragen weniger als 20%.

Gefördert von der DFG im Rahmen des SFB 198 "`Kinetik partiell ionisierter Plasmen"' Projekt A7.

Radiale Dichte und Temperaturprofile angeregter Atome in einer zylindrischen Glimmentladung

•Samir Solyman, H. Deutsch, A. Dinklage, St. Franke und C. Wilke
Institut für Physik, E.-M.-Arndt-Universität Greifswald, Domstraße 10a, D-17487 Greifswald

Die Absorptionsprofile von angeregten Atomen in einer Neon-Glimmentladung wurden mittels Laser-Absorptionsspektroskopie bestimmt. Bei axialer Durchstrahlung des zylindrischen Entladungsgefäßes kann das Profil radial aufgelöst bestimmt werden. Aus den Absorptionsprofilen lassen sich die Teilchendichten und die Temperatur der absorbierenden Teilchen bestimmen. Wir präsentieren radial aufgelöste Messungen für unterschiedliche Entladungsbedingungen.
Gefördert von der DFG durch den SFB 198 'Kinetik partiell ionisierter Plasmen' (A7).

Untersuchung der Dichten angeregter Atome in Ionisationswellen einer Neonentladung

•H. Scheibner, A. Dinklage und C. Wilke
Institut für Physik, E.-M.-Arndt-Universität Greifswald, Domstraße 10a, D-17487 Greifswald

Die positive Säule einer Neon-Glimmentladung ist in weiten Parameterbereichen von selbsterregten Ionisationswellen durchsetzt. Die angeregten Atome spielen für das Verhalten der positiven Säule und auch für das Phänomen der Ionisationswellen als Instabilität des Säulenplasmas eine entscheidende Rolle. Mit Hilfe der laserinduzierten Fluoreszenz ist es gelungen, die Dichten der besonders wichtigen langlebigen angeregten Atome absolut und darüberhinaus zeitaufgelöst zu erhalten. Die gemessenen Absolutdichten der 1s₂, 1s₃, 1s₄ und 1s₅-Atome für eine Neonentladung ( p_° = 190  Pa, i = 5 ¼15  mA) sowie ihr Verlauf innerhalb einer Schichtweite werden präsentiert.
Gefördert von der DFG durch den SFB 198 'Kinetik partiell ionisierter Plasmen' (A5).

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Zuletzt geändert am 21.10.1999

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