Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. (DPG)

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Kiel
Plenarvorträge

Celestial Climate Driver: A Perspective from four Billion Years of Carbon Cycle

•Jan Veizer
Ottawa-Carleton Geoscience Centre, University of Ottawa, Canada & Institut für Geologie, Mineralogie und Geophysik, Ruhr-Universität Bochum

An understanding of the evolutionary history of our planet, and the impact of human activities on it, is accomplished mainly through the use of geochemical techniques. These provide a baseline against which to gauge the extent of human impact on the planet's environment and climate (global warming).

Such studies show that the carbon cycle, and life, had acquired their basic functions already in the nascent stages of Earth history, some 4 billion years ago. The subsequent evolution of the carbon cycle is mostly a succession of boom and bust episodes, superimposed on this basic design. Model calculations, based on such an oscillating pattern, suggest that atmospheric pressures of carbon dioxide (pCO₂) during most of the geological past do not show any clear-cut relationship with ancient climates. On the other hand, the correlation of climate with the oxygen isotope data (a reflection of the past hydrologic cycle) and cosmic ray flux is convincing, suggesting that, as today, water vapour may have been the most important greenhouse gas and that cosmic ray flux may be the principal climate driver on geological time scales.

Sonoluminescence and bubble puzzles

•Detlef Lohse
University of Twente

In this overview talk we report on various problems related to the ubiquitous occurrence of bubbles in a multitude of fluid systems.
First, we address bubble formation by nucleation. We will in particular focus on single bubble sonoluminescence, the formation of a light emitting bubble in a sound field, and on cavitation noise caused by the snapping shrimp.
Second, we will focus on air entrainment through the impact of drops or solid objects on the surface of water.
Third, we will discuss the formation of bubbles in soft sand through the impact of a steel ball.

Nanosecond Electrical Pulses open a new Gateway into Biological Cells

•K. H. Schoenbach¹, R.P. Joshi¹, J. F. Kolb¹, E.S. Buescher² und S.J. Beebe^2
1Old Dominion University, Norfolk, Virginia, USA
²Eastern Virginia Medical School, Norfolk, Virginia, USA

An electrical model for biological cells predicts that for pulses with durations shorter than the charging time of the outer membrane there is an increasing probability for electric field interactions with intracellular structures. Experimental studies where human cells were exposed to pulsed electric field of up to 300 kV/cm amplitude with duration as short as 10 ns, have confirmed this hypothesis. The observed effects include breaching of intracellular granules without permanent damage to the cell membrane, abrupt rises in intracellular free calcium levels, enhanced expression of genes, and enhanced proliferation of cells. At increased electric fields the application of submicrosecond pulses induces apoptosis (programmed cell death) in biological cells, an effect, which has been shown to reduce the growth of tumors. Possible applications of the intracellular electro-effect are enhancing gene delivery to the nucleus, promoting functions in damaged or senescent cells, and treating tumors.

Neue Einsichten in die Magnetosphärenphysik aus Multi-Satellitenbeobachtungen

•Götz Paschmann^1,2
1MPE Garching
²ISSI Bern

Mit seinen vier Satelliten, die die Magnetosphäre in Formation mit variabler Distanz durchqueren, ist die Cluster Mission die erste, die eine eindeutige Trennung von zeitlichen und räumlichen Phänomenen gestattet. Der Vortrag stellt eine Reihe daraus resultierender neuer Ergebnise vor, darunter die Bestimmung der Struktur der Bugstosswelle, der Magnetopause und der Stromschicht im Schweif der Magnetospäre; die Klärung des Ursprungs der Ionenbeams vor der Bugstosswelle; die Bestimmung der Skalenlängen dreidimensionaler Strukturen im Plasma; die Identifizierung von Wellenmoden; die Lokalisierung von Strahlungsquellen durch VLBI; ausserdem Ergebnisse, die auf Grund günstiger Konstellationen von Cluster mit anderen Satelliten- bzw. Bodenbeobachtungen den Zusammenhang von lokalen ind globalen Phänomenen herstellen.

ITER der nächste Schritt am Weg zum Fusionsreaktor

•Günter Janeschitz
Forschungszentrum Karlsruhe, EURATOM Association, Karlsruhe

Die Fusionsforschung steht mit dem anstehenden Baubeginn von ITER am Anfang des nächsten großen Schritts auf dem Weg zum kommerziellen Fusionsreaktor. Das Ziel des ITER-Experiments ist es, sowohl die Physik eines reaktorrelevanten Plasmas zu studieren, als auch die dazu notwendige Technologie zu entwickeln und deren Funktion zu demonstrieren. Mit ITER wird der Grundstein für das Design und den Bau des Demonstrationsreaktors DEMO gelegt, der um 2040 in Betrieb gehen könnte.

Die physikalische Basis für ITER wurde mit Hilfe der existierenden Tokamaks durch empirische Skalierungen sowie durch große Fortschritte in der Plasmatheorie und -modellierung geschaffen. Vergleicht man die für die Fusionsleistung wichtigen Größen, dann bedeutet ITER eine Extrapolation um einen Faktor 5 in der Einschlusszeit und etwa einer Größenordnung im "`Tripple-Produkt"`. Wegen dieser moderaten Extrapolation und dem recht guten Grundlagenwissen in der Tokamak-Physik kann man sicher sein, dass ITER die vorhergesagte Fusionsleistung (500 MW) und Pulsdauer (400 s) erreichen wird. Für eine ökonomisch attraktive Nutzung der Energiequelle Fusion muss die oben genannte Fusionsleistung bei gleichem Energiemultiplikationsfaktor um etwa 50% gesteigert und ein nahezu stationärer Betrieb demonstriert werden. Die neueren Resultate an den laufenden Fusionsexperimenten lassen erwarten, dass auch dies wahrscheinlich erreicht werden kann. Auch auf die technologischen Elemente von ITER wird kurz eingegangen.

Plasmaanwendungen

•Klaus-Dieter Weltmann
INP Greifswald, F.-L.-Jahn-Str.19, D-17489 Greifswald

Bei der Entwicklung zukunftsfähiger und umweltverträglicher Technologien spielen Nieder-temperaturplasmen eine immer größere Rolle. Entsprechende Plasmaanwendungen haben bereits in einer Reihe von Industriezweigen Eingang gefunden, wie z.B. bei der Herstellung von Lichtquellen und Displays, in Mikroelektronik und Optik, bei der Entwicklung neuer Materialien und Oberflächen, in der Schaltertechnik, aber auch in der Automobilindustrie oder der Textil- und Verpackungsindustrie. In neuen Anwendungsfeldern wie der Biomedizintechnik und der Nanotechnologie werden ebenfalls zunehmend Plasmaverfahren eingesetzt. Entsprechend des Querschnittscharakters der Plasmatechnologie müssen für eine erfolgreiche Zusammenarbeit mit der Industrie Lösungen angeboten werden, die sowohl Fragen der Plasmaerzeugung, als auch der Plasmadiagnostik und Prozess-Steuerung betreffen. In dem Übersichtsvortrag werden exemplarisch einige der etablierten und zukunftsträchtigen Plasmaanwendungen vorgestellt und mögliche Perspektiven für die Entwicklung der Plasmatechnologie in Deutschland aufgezeigt.

Die Physik von Plasmadisplays

•V. van Elsbergen, P.K. Bachmann, D. Hayashi und G. Heusler
Philips Forschungslaboratorien Aachen

Displays auf der Basis von Gasentladungen existieren bereits seit Anfang der 50er Jahre. Plasmadisplays (PDP-Plasma Display Panel) gelten als vielversprechendster Kandidat für zukünftige flache und große Bildschirme.

Im Vortrag wird zunächst auf das Displayprinzip eingegangen. Einige der zugrundeliegenden physikalischen Vorgänge, wie z.B. Prozesse zur Effizienzverbesserung bei PDPs mit höherem Xe Druck, werden dargestellt. Im Mittelpunkt wird jedoch die Ionen-induzierte Sekundärelektronenemission stehen, die entscheidend das Zündverhalten (Zündspannung) und die Effizienz der Gasentladungen beeinflußt. Die Emissionseigenschaften werden durch den sogenannten g-Koeffizienten beschrieben, der die Anzahl emittierter Elektronen pro auftreffendes Ion angibt. MgO wird in fast allen kommerziell erhältlichen Plasmadisplays als Schutzschicht benutzt. Die g-Werte von MgO und einer Reihe alternativer Dielektrika, der Einfluß unterschiedlicher Oberflächeneigenschaften und die gezielte Modifikation dieser wird dargestellt. In einem einfachen Modell wird der Zusammenhang zwischen g-Werten und den elektronischen Eigenschaften der unterschiedlichen Materialien beschrieben. Abschließend wird kurz auf die Wechselwirkung von Edelgasplasmen mit Leuchtstoffen eingegangen. Diese ist nicht nur für Plasmadisplays, sondern auch für unterschiedliche Lampenanwendungen von Interesse.

High-Power Diode Lasers - A new tool for industrial manufacturing

•Peter Loosen
Fraunhofer-Institute for Laser Technology, Aachen, Germany

In the past few years diode lasers have evolved into tools for inustrial manufacturing for instance for soldering, plastics welding, transformation hardening and heat-conduction welding. The high efficiency, compactness and in particular the high modularity makes them superior to conventional CO2- or Nd:YAG-lasers for the applications mentioned above.

In the low-power regime fiber-coupled diode lasers are dominating. In these systems a variety of different beam transformation techniques are common for the forming of the line-shaped beam of a diode-laser bar into a spot which can be efficiently coupled into an optical fiber of circular cross section. At higher output powers diode laser stacks are commonly used, supplied with microoptical cylinder lenses for collimation and shaping of the individual beams.

A major limitation of presently available high-power diode lasers is the limited beam quality which still is more than an order of magnitude lower than that of conventional lasers. A broad spectrum of activities is necessary and currently performed in order to increase the brightness: power increase per bar, increased quality of micro-optics and packaging, wavelength and polarization coupling.

By means of these techniques output-power as well as beam quality have already been considerably increased in the past few years. Further improvements will be achieved in the future.

Compton scattering in warm dense matter

•Siegfried Glenzer
Lawrence Livermore National Laboratory, PO Box 808, Livermore, CA 94551, USA

We have recently succeeded measuring the temperature and ionization balance of a previously unexplored regime of high-density matter with a proof-of-principal experiment at the Omega laser facility. We used spectrally resolved 4.75-keV x-ray scattering from solid-density beryllium and carbon plasmas. In our experiments, we observe the Compton-downshifted spectral line that is broadened by the thermal motion of the electrons in the plasma indicating temperatures of up to T_e = 50 eV at densities of 3 ×10²³cm^-3. We compare our results with calculations of the ionization balance and find that the experimental data test models of electronic properties at high density. These results also suggest that the full range of dense plasmas, from Fermi degenerate, to strongly coupled, to high temperature ideal gas plasmas will now be accessible. For example, as the temperature is increased, the electron velocity distribution as measured by inelastic scattering transitions from a density-dependent parabolic Fermi distribution to the traditional Gaussian Boltzmann distribution. The technique has wide applications, ranging from studying the adiabat and compression of ICF fuels, to temperature measurements for radiatively heated foams. In addition, by accessing the collective scattering regime, basic dense plasma wave physics can be studied.

This work was performed under the auspices of the U.S. Department of Energy by University of California Lawrence Livermore National Laboratory under contract No. W-7405-Eng-48.

Sehr hohe Harmonische der Laserfundamentalen

•Ulrich Teubner
Institut für Mikrotechnik Mainz GmbH, Carl-Zeiss-Strasse 18-20, 55129 Mainz

Durch nichtlineare Konversion von Laserpulsen können sehr intensive kurzwellige Pulse mit einem Vielfachen der Frequenz der Fundamentalen erzeugt werden. Häufig werden dabei Gase als Medium zur Frequenzkonversion eingesetzt. Auf diese Weise erhielt man mittlerweile sehr kurzwellige (bis etwa 4 nm) bzw. zeitlich außerordentlich kurze (Attosekundenbereich) Harmonische. Die Erzeugung dieser Gasharmonischen hat jedoch auch verschiedene Nachteile. Insbesondere ist eine Begrenzung der Harmonischenintensität gegeben, die daraus resultiert, daß die Ionisation des Gases vermieden werden muß. Wie Anfang der achtziger Jahre demonstriert, können hohe Harmonische jedoch auch an der Oberfläche von Plasmen erzeugt werden, seit Mitte der neunziger Jahre sogar mittels Femtosekundenlaserpulsen und ganz neuen Wechselwirkungsmechanismen. Wir geben eine Übersicht über diese Art der Harmonischenerzeugung, wobei kürzlich durchgeführte Messungen und Simulationen im Vordergrund stehen (bis zur relativistischen nichtlinearen Optik). Neben der sehr hohen Harmonischenintensität und dem Potential für intensive Attosekundenpulse, sind derartige Untersuchungen auch für das Verständnis der Femtosekundenlaserplasmawechselwirkung von Interesse und stellen somit auch eine besondere Plasmadiagnostik dar.

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Zuletzt geändert am 27.02.2004

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