Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. (DPG)

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Programm und Abstracts der Sitzung P 3

Determination of spectral line-broadening data in high pressure discharge lamps

•Matthias Born¹, Margarita Baeva², Stefan Meier³, Matthias Weiss³, Holger Schubert³, Martin Stroesser¹ und Detlev Reiter^2
1Philips Research Laboratories Aachen
²IPP, Forschungszentrum Jülich GmbH, EURATOM Association, Trilateral Euregio Cluster
³ILPP, University of Duesseldorf

Zinc halides are considered as a possible candidate for replacement of mercury in high pressure discharge lamps. A crucial precondition for the design and optimisation of such lamps is the detailed and quantitative understanding of the energy balance. In particular, a detailed knowledge of spatial temperature profiles and gradients are of high relevance for the radiation transport properties.

Discharge lamps are studied by means of emission spectroscopy with absolute calibration in the range 200-833 nm. The experimental setup comprises a spectrograph (f=1m) with an attached CCD detector. The temperature profiles across the plasma radius are determined from measured spectral line-shapes of self-reversed lines (see Karabourniotis, J. Phys. D: Appl. Phys., 16, 1267-81 (1983)). The derived temperatures and calculated densities of plasma species serve as input parameters for the solution of the radiation transfer equation. Simulated emission spectra are compared with experimental data in order to determine the line broadening parameters (resonance, v. d. Waals and Stark broadening). Good agreement of calculated and measured radiances is obtained.

This work is supported by the BMBF under contract numbers 13N8074, 13N8263, 13N8072 and 13N8264

Raumzeitliche Messungen der Plasmadynamik mit einem 2D-Sondenarray

•Iulian Teliban, Dietmar Block und Alexander Piel
IEAP, CAU Kiel

Bislang beschränkten sich die Untersuchungen zur nichtlinearen Dynamik in Plasmen meist auf Messungen mit Einzelsonden. Die Datenanalyse konzentrierte sich folglich im wesentlichen auf die statistische Analyse der lokaler Einzelmessungen. Seit etwa 10 Jahren werden erste Sondenarrays eingesetzt, um direkt die raumzeitliche Entwicklung der Systeme studieren zu können. Den Standard bilden hier eindimensionale Sondenanordnungen, z.B. entlang von Flussflächen. Im Rahmen dieses Beitrags werden Messungen am linear magnetisierten, niedrig beta Plasmaexperiment KIWI vorgestellt, für die ein 2D-Sondenarray eingesetzt wird, welches eine vollständige Erfassung der Plasmafluktuationen in der Ebene senkrecht zum Magnetfeld ermöglicht. Auf Grund der zeitlichen und räumlichen Auflösung des Messsystems lassen sich dynamische Vorgänge erstmals experimentell in einer Qualität studieren, wie dies bisher nur von Simulationsrechnungen bekannt war.

Elektronendichtemessung mit einer Plasma-Absorption-Probe

•Christian Scharwitz, Suk-Ho Hong, Marc Böke, Johannes Berndt und Jörg Winter
Ruhr-Universität Bochum

Die Elektronendichte ist ein wichtiger Parameter in Niedertemperaturplasmen. Aufgrund der Abscheidung von Schichten ist die Messung dieses Parameters in reaktiven Plasmen mit herkömmlichen Sondenmethoden nicht ohne weiteres möglich. Von Nakamura, Sugai et. al.(Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 38 (1999) pp. 5262-5266) wurde eine Möglichkeit zur Elektronendichtemessung in diesem Fall reaktiver Plasmen vorgeschlagen, die Plasma-Absorption-Probe (PAP). Das Prinzip der PAP beruht auf einer lokalen Anregung von Oberflächenwellen. Ausgehend von der Dispersionsrelation läßt sich über die Absorptionscharakterisik der Oberflächenwellen die Elektronendichte bestimmen.

Es wurde eine PAP gebaut und an einer ICP- und einer CCP-Entladung getestet. Für unterschiedliche Gasdrücke und Plasmaleistungen wurden Absorptionspeaks an einer Argonentladung aufgenommen. Zum Vergleich der Daten und um die Eigenschaften der PAP zu beurteilen wurden Langmuirsondenmessungen durchgeführt.

Modulation techniques for the nested-cavity FIR laser interferometer

•Carsten Pargmann und Henning Soltwisch
Ruhr-Universität Bochum

The nested-cavity FIR laser interferometer consists of a FIR laser cavity (optically pumped in our setup) and an external mirror, reflecting the laser ouput power back into the FIR laser cavity. The power of the laser is monitored either by introducing a beamsplitter between laser cavity and external mirror or simply by placing the detector behind a hole of the external mirror. The detected intensity, plotted against the distance of the external mirror, shows very narrow peaks. The slope of a peak, the used wavelength and the detector determine the sensitivity of the interferometer. Modulation techniques can double the sensitivity by jumping between two points on either side of the peak. This has been done with a polyethylene chopper and with a silicon wafer irradiated by a diode laser. With a wavelength of 184.3 mm a line-integrated electron density change of 6×10¹⁰ cm^-2 can be detected.

Investigation of the reaction kinetics in methane discharges by means of tunable diode laser absorption spectroscopy

•I. Möller, A. Serdioutchenko und H. Soltwisch
Institut für Experimentalphysik, Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Germany

Low-temperature rf discharges with CH₄ as source gas have been used for the deposition of films for a long time. Nevertheless, the interdependence of the production and consumption channels of the various molecular species and their dependence on the external parameters (like power or flow rate) and the internal parameter (like the electron energy distribution function (EEDF)) are not yet understood.

In this work two different plasma reactors (a capacitively and an inductively coupled cell) have been used to increase the range of external and internal parameters. An absorption spectrometer with tunable diode lasers has been set up for the investigation of molecular densities. The source gas (CH₄), one intermediate radical (CH₃) and two stable end products (C₂H₆ and C₂H₂) have been measured. Their dependence on the input power can be explained by simple semi-empirical expressions, which allow to identify the main production and loss channels. The influence of the flow rate on the species concentrations and the plasma on and off time scales have been studied. In addition, a simple chemical model has been established, which uses the EEDF as input parameter. By comparing the calculated chemical composition with the measured molecular densities a reasonable EEDF can be predicted.

Vergleich spektroskopischer Methoden zur Bestimmung von n_e und T_e am Stellarator WEGA

•S. Riegg¹, U. Fantz¹, K. Behringer¹ und WEGA-Team ^2
1Lehrstuhl für Experimentelle Plasmaphysik, Institut für Physik, Universität Augsburg, 86135 Augsburg
²Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, EURATOM Assoziation, TI Greifswald, 17491 Greifswald

Optische Emissionsspektroskopie wird häufig zur Charakterisierung von Plasmen genutzt. Eine detaillierte Absolutauswertung einer Linie, um z. B. die Elektronentemperatur zu ermitteln, erfordert die Kenntnis von zusätzlichen Parametern, in diesem Fall der Elektronendichte. Diese Methode läß t sich durch die Verwendung von Linienverhältnissen vereinfachen.

Um eine Methode zur Bestimmung der Elektronendichte zu entwickeln, wurden Messungen am Stellaratorexperiment WEGA (Niedertemperatur-, Niederdruckplasma) durchgeführt. In Argon-Entladungen liefert die Strahlung von Ionenlinien zusätzliche Informationen. Insbesondere läß t sich durch das Linienverhältnis von Ionen zu Neutralen oder ausgewählten Ionenlinien untereinander die Elektronendichte ermitteln. In Heliumplasmen eignen sich dazu Linienverhältnisse von neutralen Emissionslinien. Bei Kenntnis der so bestimmten Elektronendichte ergibt sich die Elektronentemperatur aus der Absolutstrahlung einer Linie. Die Messung wurde mit einem hochauflösenden, absolut kalibrierten Übersichtsspektrometer (ESA 3000) durchgeführt. Die Grenzen der Methoden werden aufgezeigt und die Ergebnisse mit Langmuir-Sonden- und Interferometermessungen verglichen.

Characterisation and improvement of WEGA performance

•KINGA HORVATH¹, JOHANN LINGERTAT¹, THOMAS BINDEMANN¹, URSEL FANTZ², RALF KÖNIG¹, MICHAEL LAUX¹, YURIJ PODOBA¹ und FRIEDRICH WAGNER^1
2Institut für Physik, Universität Augsburg, Universitätsstr. 1, 86135 Augsburg, Germany
¹Max-Planck Institut für Plasmaphysik, Euratom Association, TI Greifswald, Wendelsteinstrasse 1, 17491 Greifswald, Germany

The WEGA device is a classical stellarator operated in the Greifswald branch of IPP.

A basic diagnostics at WEGA is the Langmuir probe. The Langmuir characteristics show a common property: lack of ion current saturation. This phenomenon can be explained with a model of two-temperature distribution of electron energies. Profiles of plasma parameters were obtained for discharges with different working gas, magnetic field, heating power, neutral pressure and rotational transform.

As separate diagnostics an interferometer and an optical spectrometer are used to measure average T_e and n_e.

The WEGA plasma is heated by ECRH. Different types of antennas have been studied. With the first type, a straight metallic cylinder, hollow T_e and n_e profiles and density values above the cut-off density have been obtained. Trying other type of antennas the n_e profiles became flat or peaked and the T_e profiles slightly hollow. The energy confinement time, the confined energy and the degree of ionisation have been increased under the new heating conditions.

Fast Ion Losses in ASDEX Upgrade

•Manuel Garcia-Munoz, Andreas Bermann, Johann Kisslinger, Hans-Ulrich Fahrbach, Josef Neuhauser, Simon Pinches, Albrecht Staebler und Hartmut Zohm
Max-Planck-Institut fuer Plasmaphysik, Boltzmannstr. 2 85748 Garching bei München

An integral method for a better understanding of fast ion losses from magnetically confined fusion plasmas is being developed. Since fast ion losses may lead to different undesired effects on operation regimes, the mechanisms for such losses are of special importance for further fusion reactors. This may be obtained from a combination of a theoretical model of the behaviour of fast ions in tokamaks, together with the measurements of such losses. A full understanding is possible only with both methods. The code-package developed here provides the theoretical view of the losses, in order to understand the measurements obtained, using the appropriate detector. A full description of fast ion trajectories from birth to loss was made using different codes. The second part of this study is concerned with the development of a scintillator-based detector. The design of the probe is based on the alpha-particle detector used for first time in TFTR and further developed for W7-AS. A first model consists of a scintillator plate and a CCD camera to acquire the data, allowing the detection of lost ions in a wide range of gyro radii and pitch angles. Using a CCD camera, a very high spatial resolution is available but with a poor time resolution, that is resolved in a second model which uses a set of photomultiplaiers in addition to the CCD camera.

Vergleich der radialen Transportmessung mit Glüh- und Langmuir-Sonden im Torsatron TJ-K

•N. Mahdizadeh, F. Greiner, K. Rahbarnia, M. Ramisch und U. Stroth
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Christian-Albrechts-Universität, 24098 Kiel

Zur Untersuchung der Fluktuation des radialen Transports in einem magnetisch eingeschlossenen Plasma werden Diagnostiken benötigt, die Änderungen der Dichte n und des Plasmapotentials f_p auf Zeitskalen einiger Mikrosekunden aufnehmen können. Die zur radialen Transportmessung verwendete Diagnostik in TJ-K besteht aus drei parallel in der poloidalen Ebene angeordneten Langmuir-Sonden. Der Ionensättigungsstrom wird an der in der Mitte positionierten Sonde gemessen, während die Differenz der Floatingpotentialfluktuationen der beiden äußeren Sonden die poloidale elektrische Feldfluktuationen ergibt. Dann ist der radiale Transport gegeben durch G_r ~ [n\tilde][E\tilde]_q/B. Der kritische Punkt dieses Verfahrens ist die Schätzung des elektrischen Feldes mittels Floatingpotentialmessung. Gegenüber Langmuir-Sonden erlauben Glühsonden die direkte Messung des Plasmapotentials. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine vergleichende Untersuchung des mit Glüh- und Langmuir-Sonden ermittelten Transports vorgestellt. Die Untersuchungen wurden am Niedertemperaturplasma des Torsatron TJ-K ( ECRH-Entladung, B = 70 mT, n_e £ 5×10¹⁷ m^-3, Te £ 15 eV) durchgeführt.

Zweidimensionale Untersuchung der raum-zeitlichen Entwicklung von Mikroentladungen in einer Barrierenentladung

•R. Brandenburg¹, H.-E. Wagner¹, K.V. Kozlov² und A.M. Morozov^2
1Institut für Physik der Universität Greifswald, 17489 Greifswald
²Staatl. Universität Moskau, Chemische Fak., 119992 Moscow, Russia

Die zeitliche Intensitätsentwicklung einzelner, nacheinander erzeugter Mikroentladungen (ME) in Barrienrenentladungen in O₂ / N₂-Gasgemischen wird in axialer (d.h. entlang der Achse der ME) und radialer Richtung mittels Cross-Correlation Specctroscopy (CCS) aufgenommen. Somit wird erstmals ein räumlich zweidimensionales und dabei spektral- und zeitaufgelöstes Bild der Entladungsentwicklung gewonnen [1]. Ergänzend kommt eine ICCD-Kamera zum Einsatz, die zeitintegrierte Aufnahmen individueller ME liefert. Die ME-Kanäle sind im Volumen etwa 0.2 mm dünn, weiten aber vor den Elektroden um einen Wert, der etwa gleich dem Entladungsspalt ist, auf. Weiterhin werden auf beiden dielektrischen Oberflächen nach aussen propagierende Maxima der Intensität beobachtet. Die Entladungsfusspunkte auf der Kathode haben das Aussehen von Lichtenberg-Figuren, auf der Anode wird hingegen eine homogenere Struktur registriert. Damit gelingt es, die Akkumulation von Ladungsträgern auf den Dielektrika zu zeigen. [1] Brandenburg et.al., Proceedings of the 26th ICPIG, Greifswald July 2003, Vol. 4, pp.39

Enhanced microwave scattering diagnostics on a helicon discharge

•K. D. Lee, R. Madani, T Klinger, M. Hirsch und H. -J. Hartfuß
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, EURATOM Ass., D-17491 Greifswald, Germany

A helicon discharge can offer superior conditions for enhanced-scattering diagnostics because of the electron plasma frequency being higher than the cyclotron frequency. This method using microwave technique is the best alternative to observe small-scale fluctuations.

The principle is based on the scattering of an extraordinary electromagnetic wave in the vicinity of the upper hybrid resonance. When fluctuations are present in the resonance zone, an incident wave is back-scattered if the Bragg condition is satisfied. The scattered wave has a much shorter characteristic scale-length than the wavelength in vacuum. As a result it becomes sensitive to small-scale fluctuations and has an enhanced intensity as well as a large time delay. Thus the fluctuations near the resonance layer can be detected with a high sensitivity and spatial resolution.

The VINETA device can produce a linearly magnetized helicon discharge and has been dedicated to experiments on nonlinear plasma dynamics. In this work, a swept frequency microwave scattering system is employed in this device, which allows the effective spatial scan of the resonance surface in the helicon plasma. The measured wave number and frequency spectra are shown and discussed. This information reveals ion wave dynamics and implies its relation with intrinsic instabilities in a helicon discharge.

Experimentelle Untersuchungen von Shear Alfvén Wellen

•Albrecht Stark, Olaf Grulke und Thomas Klinger
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Teilinstitut Greifswald, EURATOM Assoziation

Shear-Alfvénwellen sind elektromagnetische Wellen in Magnetoplasmen mit Frequenzen unterhalb der Ionengyrofrequenz. Untersuchungen von Alfvénwellen in Laborexperimenten werden durch deren große Wellenlänge erschwert, die invers proportional zur Wurzel der Plasmadichte skaliert. Das Experiment VINETA bietet durch große geometrische Abmessungen (Länge 4,5m), und durch hohe erreichbare Plasmadichten ( £ 10¹⁹m^-3) die Möglichkeit, Alfvénwellen kontrolliert anzuregen und deren Propagationseigenschaften zu studieren. Die Anregung erfolgt über eine im Plasma befindliche Induktivität, die magnetische Störungen senkrecht zum Magnetfeld B₀ mit [B\tilde]/B₀ ~ 0.05 induziert. Um Informationen über die Dispersion und Dämpfung der Welle zu erhalten, wird mit [B\dot]-Sonden das magnetische Wellenfeld räumlich aufgelöst aufgezeichnet. Von besonderem Interesse ist der Einfluss der Alfvénwelle auf die Dynamik der Ionen, die während eines Wellenzuges sowohl durch E×[B\tilde] Driften, als auch durch Polarisationsdrift direkt durch die Alfvénwelle beeinflusst wird. An VINETA wird auf die Ionendynamik mittels Laser induzierter Fluoreszenz geschlossen. Durch Messung der Ionenenergieverteilungsfunktion und ihrer Störungen werden Informationen zur Ionentemperatur und Ionendriften erhalten. Es werden detaillierte Messungen zur Dispersion der Alfvénwellen und zu der aus dem Wellenfeld resultierenden Störung der Ionendynamik vorgestellt.

Doppler-freie optogalvanische Spektroskopie an Balmer-a mit Diodenlasern

•Munib Amin, Daniel Esch und Volkmar Helbig
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Universität Kiel

Zur Bestimmung der lokalen elektrischen Feldstärke in Niederdruckplasmen eignet sich der Starkeffekt z.B. von Wasserstofflinien. Bei bisherigen Untersuchungen in unserer Arbeitsgruppe /1/ war die minimal detektierbare Feldstärke durch den Dopplereffekt begrenzt, der die Bestimmung sehr kleiner Felder verhindert. Zur Steigerung der Auflösung wurden Doppler-freie Spektren mit Hilfe der intermodulierten optogalvanischen Spektroskopie registriert.

/1/ siehe Beitrag von S. Herzog et al., diese Tagung

Optogalvanische Feldstärkenmessung in Wasserstoff und Deuterium

•Daniel Esch¹, Sandra Herzog¹, Zhou Li² und Volkmar Helbig^1
1Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Universität Kiel
²Fudan University, Shanghai, P. R. China

Zur Bestimmung der lokalen elektrischen Feldstärke wurden optogalvanische Spektren der Doppler-verbreiterten Linienprofile der Balmer-a Linie von Wasserstoff im Kathodenfallgebiet einer Niederdruckgasentladung vermessen. Die Feldstärke läßt sich daraus durch einen Vergleich mit theoretischen Profilen gewinnen. Um kleine aber signifikante Unterschiede zwischen den experimentellen und den für Wasserstoff gerechneten Profilen zu erklären wurden Messungen mit Deuterium durchgeführt, um zu prüfen, ob die Vernachlässigung der Hyperfein-Struktur bei der Rechnung die beobachteten Unterschiede erklären kann.

Spectroscopic Investigations of Projectile Electronic Structure in Ion Stopping Proccess

•Svitlana Korostiy¹, Olga Rosmej¹, Sergej Pikuz², Vladimir Efremov³, Alexander Fertman⁴, Timofey Mutin⁴, Viacheslav Shevelko⁵ und Dieter H.H. Hoffmann^1
1GSI - Darmstadt
²State University, Moscow
³IHED - Moscow
⁴ITEP - Moscow
⁵Lebedev Physical Institute, Moscow

The connection between stopping matter density and the structure of the projectile bound electrons is under experimental and theoretical investigations. K-shell projectile radiation induced due to collisions of swift ions with target atoms was measured with high spectral and spatial resolution along the ion beam trajectory. Experiments on the interaction of 11,4 and 5.9 MeV/u Ar beam with SiO2 gels of 0.15, 0.04 g/cc mean densities and solid quartz were carried out at UNILAC facility at GSI-Darmstadt. The using of targets with low mean density allowed us to stretch the ion stopping length in solid up to 8 mm and to visualize the dynamics of the target bound electron capture. The results of spatially resolved spectroscopic measurements are discussed.

3D Monte Carlo simulation of radiation transfer for HID lamps

•P. Börner¹, D. Reiter¹, S. Wiesen¹, M. Baeva¹, H. Giese² und M. Born^2
1Institut für Plasmaphysik, Forschungszentrum Jülich GmbH, EURATOM Association, Trilateral Euregio Cluster, 52425 Jülich
²Philips Research Laboratories, 52066 Aachen

The 3D Monte Carlo code EIRENE [1], widely applied in controlled nuclear fusion research for particle transport problems, has been adapted for radiation transfer (photon gas simulation), also for technical plasmas. It has been linked to a commercially available 3D finite element plasma fluid code (FIDAP) used to solve for the energy balance and flow fields in HID lamp plasmas. The goal is an improved predictive capability of this numerical HID model by eliminating some of the hitherto necessary approximations related to radiation transfer. The spatially resolved energy sources and sinks due to emission and absorption of line radiation are computed, separately for each line, and separately for the core and the wing photons. The Monte Carlo solutions are benchmarked with semi-analytical ray-tracing calculations for simplified 1D cases and full agreement is achieved. A figure of merit (CPU-time times statistical variance) for the 3D Monte Carlo performance is defined and it can be shown that currently both the FIDAP and EIRENE parts of the combined tool consume comparable amounts of CPU time. A critical issue remains the method of separating the line wing (optically thin) and line core (optically thick) contributions to stabilize the iterations between plasma- and photon gas solutions.

[1] www.eirene.de

Determination of non-LTE excitation and electron temperatures in HID lamps

•M. Baeva¹, D. Karabourniotis², D. Reiter¹, S. Meier³, H. Schubert³, M. Weiss³ und M. Born^4
4Philips Research Laboratories, 52066 Aachen
¹IPP, Forschungszentrum Jülich GmbH, EURATOM Association, Trilateral Euregio Cluster,
²Dep. of Physics, Univ. of Crete, 71003 Heraklion, Greece
³ILPP, Universität Düsseldorf, 40225 Düsseldorf

Mercury plasmas are important for lighting applications. Recent investigations consider zinc as a possible candidate to replace the toxic mercury. Usually, high-pressure mercury plasmas are considered to be in LTE, i.e. the existence of a unique temperature is presupposed. However, under non-LTE conditions the distribution of atoms over the excited states can not be characterized by a single temperature. The purpose of this study is to obtain the excitation and the electron temperatures in HID lamps with Hg and Zn, to check the LTE assumption. HIDs have been studied by emission spectroscopy. The distribution temperatures are obtained from the self-reversed lines Hg 4047, 4358, and 5461Å, and Zn 4680, 4722, and 4810Å  applying the method developed in [1]. This method is free of any LTE assumptions and allows to evaluate these temperatures in the hottest discharge regions. The results show a significant deviation from LTE even at pressures above 30 bars. However, the results are sensitive to the distribution temperatures resulting from the observations of Hg4047Å  and Zn4680Å  spectral lines and further experiments with a higher spectral resolution are necessary.

[1] D. Karabourniotis, J. Appl. Phys. 90 (3), 1090-1101 (2001)

Diagnostik an Mikrowellen-Plasmen zur Sterilisation thermolabiler Kunstoffe der Verpackungsindustrie

•M. Czichy und P. Awakowicz
Ruhr-Universität Bochum, Universitätsstr. 150, 44780 Bochum, Germany

Herkömmliche chemische Nassverfahren zur Sterilisation thermolabiler Verpackungsstoffe erweisen sich hinsichtlich ihrer Handhabung und Umweltverträglichkeit oftmals als problematisch und teuer. Im Zuge der Forschungen an Niederdruckplasmen wurde ein Sterilisationsverfahren für PET-Trinkflaschen und Joghurtbecher entwickelt, welches zahlreiche Vorteile gegenüber den oben angesprochenen Nassverfahren aufweist. Mittels eines Mikrowellen-Plasmas ist es möglich, innerhalb von fünf Sekunden eine hohe Abtötungsrate ( > 10⁵) ausgesuchter Testkeime (B.subtilis) auf Kunststoffoberflächen zu erreichen. Um diesen Prozess zu optimieren, wurden die Plasmen mittels diagnostischer Verfahren wie UV-Spektroskopie, Massenspektrometrie und Langmuirsondenmessungen unter Variation der Parameter Gasdruck, eingekoppelter Leistung, Mischungsverhältnis und Gasfluss charakterisiert. Zusätzlich wurde dessen Wirkung auf unterschiedliche Testkeime (B.subtilis, A.niger, B.stearothermophilus) mittels mikrobiologischer Untersuchungen, Lichtmikroskopie und REM-Aufnahmen untersucht.

Sterilisation und Oberflächenmodifikation thermolabiler medizinischer Implantate

•Helmut Halfmann, Martin Schulze, Michael Deilmann und Peter Awakowicz
Dipl. Ing. Helmut Halfmann, Lehrstuhl für Plasmatechnik, Geb. IC, Raum 1/157, Universitätsstrasse 150, 44780 Bochum

Induktiv gekoppelte Hochfrequenzplasmen können aufgrund ihrer Eigenschaften im Niederdruckbereich zur Sterilisation und Oberflächenmodifikation verwendet werden. Da medizinische Implantate im allgemeinen dreidimensionale Geometrien aufweisen, müssen die entsprechenden Plasmen radial und axial homogen sein. Zu diesem Zweck wurde eine doppelt induktiv gekoppelte (DICP) Anordnung aufgebaut, mit der umfangreiche Sterilisations- und Modifikationsprozesse durchgeführt wurden.

Die ausgewählten Substratmaterialien waren Polylactid als bioresorbierbarer Werkstoff, ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMWPE) für die Knieprothetik sowie zahlreiche weitere medizinisch relevante Werkstoffe. Die ausgewählten Testkeime waren u.a. B. subtilis (DSM 2277), B. stearothermophilus, A. niger sowie viele weitere krankenhausrelevante vegetative Formen.

Die umfangreichen Experimente zur Sterilisation und Oberflächenvernetzung der UHMWPE Implantate wurden begleitet durch umfangreiche Diagnostiken mit einer Langmuirsonde (APS3), einem Plasmamonitor (Hiden Analytical) und mittels der optischen Spektroskopie.

Räumlich und zeitlich aufgelöste Spektroskopie an reaktiven Strahlplasmen bei Atmosphärendruck

•H.-E. Wagner¹, D. Pasedag¹, R. Brandenburg¹, P. Michel¹, K.V. Kozlov², A. Baalmann³, G. Ellinghorst³ und U. Lommatzsch^3
1Institut für Physik der Universität Greifswald, 17489 Greifswald
²Department of Chemistry, Moscow State University, 119992 Moscow, Russia
³Fraunhofer Institut für Fertigungstechnik und Materialforschung, 28359 Bremen

Ein bei etwa 15 kHz und Atmosphärendruck in Luft sowie Stickstoff betriebener Plasmastrahl wird in der aktiven Zone und dem aus einer Düse austretenden abklingenden Strahl elektrisch, spektroskopisch und mittels GC/MS untersucht. Diese Strahlplasmen werden u.a. zur Oberflächenbearbeitung eingesetzt. Das aktive, nichtthermische Plasma hat eine hohe Gastemperatur (Rotationstemperaturen T_R = 2500 ... 5500 K ). Der relaxierende Strahl enthält O-Atome im Prozentbereich. Sie werden vermutlich vor allem über die thermische Dissoziation in der aktiven Zone erzeugt. Indikator für die Atome ist ein charakteristisches gelbes Leuchten von NO₂^* , welches über den Prozess O + NO + M® NO₂^* + M gebildet wird. Über GC/MS wird in Luft ein NO-Anteil von ca. 900 ppm nachgewiesen. Die Raum-Zeit aufgelösten Spektren zeigen signifikante Unterschiede im aktiven und abklingenden Plasma. Der Vergleich der Ergebnisse in Luft und Stickstoff ermöglicht Rückschlüsse auf die dominanten Elementarprozesse, die Bestimmung der Strahl-Austrittsgeschwindigkeit sowie der Gastemperatur direkt an der Düsenöffnung.

On the influence of argon addition on microwave hydrogen plasmas obtained under moderate pressure conditions

•Andrei V. Pipa¹, Guillaume Lombardi², Xavier Duten², Khaled Hassouni² und Jürgen Röpcke^1
1INP-Greifswald, 17489 Greifswald, Germany
²LIMHP, CNRS-UP 1311 Universite Paris-Nord, 93430 Villetaneuse, France

Moderate-pressure hydrogen plasmas are of great interest in many thin film deposition processes. In such plasmas hydrogen is usually processed as the major component in a mixture involving other gases. In particular, argon is often used either as an active component of the gas mixture or as a probing species that can help via its emission to characterize the plasma and monitor the processes. In this last case, often a small admixture of Ar is considered as not influencing plasma parameters. The aim of this work was to investigate the validity of this assumption in the case of moderate pressure argon-hydrogen microwave discharges. For this purpose a one-dimensional non-equilibrium transport model for this discharge type was developed. This model was used to determine the spatial distribution of the main plasma parameters such as gas temperature, species densities and electron temperature. Results showed that a small amount of Ar (less then 1%) can considerably affect the density of atomic hydrogen, and even the gas temperature for specific discharge conditions. The collision and transport phenomena leading to this non linear effect of argon have been investigated by analyzing the contribution of Ar on the different hydrogen dissociation channels.

Chemical reaction studies of CH₄/N₂ gas mixture in a dielectric barrier discharge

•Abhijit Majumdar, J.F. Behnke und Rainer Hippler
Institut für Physik, Universität Greifswald

Chemical reactions in a CH₄/N₂ gas mixture inside a dielectric barrier discharge (DBD) plasma have been studied by means of mass spectrometry. The DBD plasma has been created at medium pressure of 250-300 mbar in a rectangular reactor employing 5.7 kV pulses at 5 kHz. Most notable is the comsumption of CH₄ and the production of H₂ molecules. In addition, formation of heavier hydrocarbons like C_nH_{2n + 2} with n up to 8 is observed in the mass spectrum.

Zeitaufgelöste Diagnostik von CF₂-Radikalen in C₂F₆/H₂-Plasmen einer gepulsten RF-Entladung mittels IR-Diodenlaserspektroskopie (TDLAS)

•Onno Gabriel, Konstantin Li und Jürgen Meichsner
Institut für Physik, Domstr. 10a, 17487 Greifswald

Der Einfluß der CF_x-Radikale (x=1..3), insbesondere der des CF₂-Radikals auf die Beschichtungskinetik bzw. das Ätzverhalten in Fluorkohlenstoff-RF-Plasmen ist bis heute nicht vollständig verstanden.

In unserer Arbeit verwenden wir eine gepulste 13.56 MHz RF-Entladung und C₂F₆ mit einer Zumischung von H₂ als Modellgas bei Drücken zwischen 10 und 100 Pa. Ein in situ Ellipsometer dient der Messung der Beschichtungsrate auf der RF-Elektrode und ein mit durchstimmbaren Diodenlasern arbeitendes IR-Absorptionsspektroskopie-System (TDLAS) der parallelen Messung absoluter Radikaldichten im Gasraum.

Die Zeitauflösung des TDLAS-Systems im Bereich von 1-10 ms erlaubt die Erfassung der Abklingkurven der CF₂-Dichte in den Plasma-off-Phasen der gepulsten Entladung. Untersucht wird der Einfluß der Prozeßparameter Druck, Gasfluß und RF-Leistung sowie der Pulsparameter (Perdiodendauer, Puls-Pause-Verhältnis) auf die Radikalkinetik und die Beschichtungsrate.

Mittels eines einfachen kinetischen Modells werden die Verläufe der CF₂-Dichte in der Plasma-off-Phase beschreiben und dadurch Bruttoratenkoeffizienten gewonnen.

Beeinflussung von Plasmaeigenschaften durch elektrochemisches Pumpen von O-Atomen durch einen Ionenleiter

•s. Peters¹, M. Rohnke², K. Dittmann¹, J. Janek² und J. Meichsner^1
1Institut für Physik, Universität Greifswald
²Physikalisch-Chemisches Institut, Universität Gießen

Wechselwirkungen von reaktiven Niedertemperaturplasmen mit einem festen Ionenleiter lassen interessante und neue Grenzflächenphänomene erwarten. So zeigt z.B. das in Hochtemperaturbrennstoffzellen eingesetzte Yttrium stabilisierte Zirkonoxid (YSZ) ab 400^°C Sauerstoffionen-leitende Eigenschaften. Gleichzeitig kommt es zu einer Modifizierung der Plasmaeigenschaften. Den Ausgangspunkt für die vorliegende Arbeit bilden Untersuchungen an einem YSZ-Kristall, der im Gegensatz zu den bisherigen Sauerstoffatmosphären erstmalig einem RF-Sauerstoffplasma ausgesetzt war. In Folge wurde ein bis zu 100 mal höherer Sauerstoffaustausch mit dem Kristall gemessen [1]. Die Ursache könnte ein direkter Einbau von atomarem Sauerstoff aus dem Plasma in den Kristall sein. Dieser zusätzliche Verlustprozess sollte zu einem veränderten Konzentrationsverlauf des atomaren Sauerstoffs vor der Kristalloberfläche führen. In einer kapazitiv gekoppelten RF-Entladung bei 13,56 MHz diente die geerdete Elektrode zur Probenaufnahme. Messungen räumlicher Dichteverteilungen mittels Laser-induzierter Fluoreszenz Spektroskopie zeigten einen verstärkten Abfall der O-Konzentration ab einer Heiztemperatur von 500^°C, was auf den beschriebenen Vorgang zurückzuführen ist. [1] M.Rohnke, J. Janek, J.A. Kilner, R. Chater, Solid State Ionics, in press (2003).

Raum- und Zeitaufgelöste atomare Sauerstoffkonznetrationsverteilungen in einem rf-Plasma

•S. Peters, B. Krames und J. Meichsner
Institut für Physik, Universität Greifswald

In einem Niedertemperaturplasma ist der Transport ungeladener reaktiver Spezies, wie der des Sauerstoffatoms diffusionsbestimmt. Interessant sind insbesondere die elektrodennahen Gebiete der in dieser Arbeit verwendeten kapazitiv gekoppelten rf-Entladung in Sauerstoff. Hier kommt es aufgrund von Verlustprozessen an den Elektroden zu einem anisotropen Transportverhalten der Sauerstoffatome. Dies spiegelt sich in den mittels Laser-induzierter Fluoreszens Spektroskopie (TALIF) gemessenen räumlichen Konzentrationsverteilungen der O-Atome wider. Als Folge lassen sich abhängig von den Plasmaparametern und dem Elektrodenabstand die axialen Dichteverläufe über einen empirischen Ähnlichkeitsparameter beschreiben. An den Elektrodenrändern findet sich symmetrisch ein radiales Dichtemaximum, dessen Position mit steigender Selfbias-Spannung tiefer in den räumlichen Afterglow der Entladung wandert. Im zeitlichen Verlauf nach Plasmazündung (gepulster Entladungsbetrieb) kommt es ebenfalls zu einer Verschiebung dieses Maximums in Richtung Elektrodenrand. Erst ab einem zeitlichen Delay von 20 ms erreichen Erzeugungs- und Verlustprozesse ein Gleichgewicht, das eine dem cw-Betrieb vergleichbare Profilform zeigt.

Vergleich von Wasserstoff- und Deuteriumentladungen in einer Quelle für negative Ionen

•M. Regler, U. Fantz und K. Behringer
Lehrstuhl für Experimentelle Plasmaphysik, Institut

Für die Neutralteilchenheizung von Fusionsplasmen spielen Ionenquellen eine wichtige Rolle. An einer Testanlage zu Erzeugung negativer Ionen (BATMAN, RF-Plasma) wurden Wasserstoff- und Deuteriumentladungen unter Verwendung optischer Emissionsspektroskopie untersucht und die so zugänglichen Plasmaparameter (Teilchentemperaturen, Teilchendichten) bestimmt. Zum Einsatz kamen mehrere Übersichtsspektrometer, um sowohl einen groß en Wellenlängenbereich (200 bis 850 nm) erfassen zu können, als auch Informationen über die zeitliche Entwicklung der Entladungen zu erhalten. Dabei wurden Variationen der Parameter Druck und Heizleistung ebenso vorgenommen, wie eine Beimischung von Diagnostikgas (Argon, Helium). Die Ergebnisse von Wasserstoff und Deuterium werden bei gleichen Randbedingungen verglichen. Da die Heizung zukünftiger Fusionsexperimente mit Deuterium erfolgt, ist die Übertragbarkeit der Ergebnisse von Wasserstoff- auf Deuteriumbetrieb von besonderer Relevanz.

Generation of negative hydrogen ions in a magnetic multipole plasma source with combined inductive and capacitive high frequency excitation

•Thomas Mosbach, H.-M. Katsch und H.F. Döebele
Universität Duisburg-Essen, Standort Essen, Institut für Experimentelle Physik, D-45117 Essen

Negative hydrogen and deuterium ions extracted from plasma sources have the potential for high-current charged and neutral particle beams for accelerator systems. Negative ions in the MeV energy range are of particular relevance for neutral beam plasma heating in fusion devices. Magnetic multipole plasma sources with filaments have been found to have a high content of negative ions. Plasma ion sources for long-term operation in fusion related research require, however, electrodeless excitation for various reasons. Inductively excited plasma sources generate ions but due to the absence of a high-energetic electronic component in the EEDF those sources do not operate at optimum. A combined inductive and capacitive high frequency excitation has the perspective to obtain both a high plasma density and high-energy electrons. The high-energy electron group provides a suprathermal population of the rovibronic states of the hydrogen molecules in the electronic ground state. Dissociative attachment of low-energy electrons to the molecules leads to the desired negative ions. We present results on the detection of vibrationally excited electronic ground-state molecules by laser induced fluorescence with VUV radiation.

This work is supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG.

Dichtebestimmung negativer Sauerstoffionen in einer gepulsten RF-Entladung in Argon / Sauerstoff-Gemischen mit induktiver Einkopplung

•C. Manthey, A. Wagner, H. M. Katsch und H. F. Döbele
Fachbereich Physik, Universität Duisburg-Essen

In einer gepulsten Sauerstoff-Radiofrequenzentladung mit induktiver Einkopplung (GEC Typ) wurde die Dichte der negativen Sauerstoffionen während der Entladung mit Cavity-Ringdown und in der Abklingphase mit Photodetachment untersucht. Durch Vergleich mit Rechnungen konnten aus dem zeitlichen Verhalten der positiven und negativen Ladungsträgerdichten im Afterglow der Entladung die wesentlichen Verlustprozesse der negativen Ionen identifiziert werden.

Entgegen den Erwartungen sind Argon / Sauerstoff-Gemische bis zu Mischungen Argon zu Sauerstoff von 8 zu 2 stark elektronegativ. Es wird ein Anstieg der Dichte der negativen Ionen mit abnehmendem O₂-Anteil beobachtet. Diese Beobachtung ist unerwartet, da nach Modellrechnungen von Lee und Lieberman die absolute Dichte der negativen Ionen mit abnehmendem O₂-Anteil und zunehmender Plasmadichte abnehmen sollte. Bei Plasmadichten im Bereich 10¹¹ cm^-3 und größer ist der Hauptverlustprozess für negativen Ionen durch Rekombination mit den positiven Ladungsträgern gegeben. Somit dürfte mit zunehmenden Argonanteil und ansteigender Plasmadichte die Dichte der negativen Ionen nicht weiter zunehmen. Offensichtlich wird ein weiterer Erzeugungskanal für die negativen Ionen mit zunehmenden Argonanteil wirksam.

Gefördert im Forscherverbund "Analyse und Modellierung der Einwirkung gepulster Plasmen auf Oberflächen" vom BMBF (FKZ 13N8052).

Analytical Model for an ICP Discharge in Hydrogen

•V.A. Kadetov und U. Czarnetzki
Institute for Plasma and Atomic Physics, Faculty for Physics and Astronomy, Ruhr-University Bochum, 44780 Bochum

A simple model for a low pressure ICP discharge at 13.56 MHz in hydrogen is presented. Although the model is simple enough to allow a full analytical calculation, it still describes the relevant discharge physics reasonably well to show good agreement with measurement over a wide range of parameters. Small deviations can easily be related to and explained by simplifying assumptions made in the model. The model has three modules for the discharge physics, the electrical coupling with the RF antenna and the sheath in front of grounded walls. Residual capacitive coupling in the ICP mode is included in the model. The most important assumptions are Maxwellian electron energy distribution and homogeneous electron temperature. While the former assumption was confirmed by measurement, the latter is not exactly correct and results in some small deviations. Input parameters are the neutral gas pressure and temperature and the power from the RF generator. Further, the geometry of the antenna and the discharge chamber and the resistance of the RF antenna and the matching unit are required. We calculate the electron temperature, the plasma density (spatially resolved), electric fields and potentials in the sheath (temporally resolved), the ion energy distribution function and the transition between ICP and CCP mode.

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Zuletzt geändert am 27.02.2004

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