Analysis, modeling and numerical simulation of complex plasmas under microgravity conditions

Diese Dissertation hat sich mit dem Prozess der Implementierung
numerischer Simulationen auf komplexe Plasmen auseinandergesetzt,
aufbauend auf ein Set gekoppelter Partielle
Differentialgleichungen. Die Dynamik komplexer Plasmen ist durch
die Wechselwirkung ihrer unterschiedlichen Komponenten auf
mikroskopischen und mesoskopischen Ebenen charakterisiert worden.
Diese Wechselwirkungen resultieren in einer Mischung
elektrodynamischer und strömungsdynamischer Effekte. Dieses
Differentialgleichungssystem ist mit der Methode der finiten
Elemente gelöst worden, die die Verkuppelung verschiedener
physikalischer Phänomene in beschränkten Bereichen ermöglicht. Die
Sturm-Liouville Theorie ist als mathematisches Gerüst verwendet
worden, um Maxwellsche Gleichungen in beschränkten
Hohlraumresonatoren mit inhomogenen Randbedingungen zu lösen. Die
Profile der elektrischen Energiedichte sind kalkuliert worden,
sowohl für den elektrostatischen Fall, als auch für die ersten
sechs Eigenresonanzfrequenzen der elektromagnetischen Wellen. Es
hat sich herausgestellt, dass die angelegte Hochfrequenz niedriger
als die erste Eigenfrequenz der HF-Plasmakammer ist. Es hat sich
erwiesen, dass sich die elektromagnetische Energie innerhalb der
HF-Plasmakammer unter den Eigenfrequenzen aufspaltet, und dass die
Rahmenbedingungen bestimmte Resonanzen erzeugen. Die Form und
Verteilung dieser elektromagnetischen Energie korrelieren mit den
Eigenfunktionen der respektiven Eigenresonanzfrequenzen. Um eine
makroskopische Beschreibung der Dynamik komplexer Plasmen zu
erreichen, ist die kinetische Theorie für Modellierung der
Strömungsdynamik verwendet worden. Die Kopplung zu den
elektromagnetischen Feldern ist auf der kinetischen Ebene
durchgeführt worden. Dieses Herangehen überbrückt den Sprung von
der mikroskopischen Beschreibung der Boltzmann Gleichung zu einer
makroskopischen Beschreibung. Wir haben festgestellt, dass sowohl
die dielektrischen Partikel als auch der Dielektrikumfluss einen
“Elektrodruck” empfinden. Hohe Gradienten der elektrischen
Energiedichte können die komplexen Plasmen zum Wirbeln bringen.
Diese Herangehensweise ist neu, denn die gegenwärtige Theorie
betrachtet das Neutralgas im Ruhezustand, dabei wird der
Reibungswiderstand auf die komplexen Plasmen ausüben. Die
beobachteten Wirbel in dem PK-3 Plus Experiment können durch die
Stromlinien dieser Gradienten erklärt werden. Wir haben
herausgefunden, dass der partikelfreie Raum in dem PK-3 Plus
Experiment erklärt werden kann, wenn man sowohl die Elektrostatik
als auch die erste Eigenresonanzfrequenz der elektrischen
Energiedichte der HF-Plasmakammer berücksichtigt. Dies ist durch
ein dreidimensionales Modell visualisiert worden. Dieses Model
erklärt auch die Bildung sekundürer Räume, die durch die Einführung
metallischer Tastkopfe in die HF-Plasmakammer hervorgebracht
werden. Die Hypothese der elektrischen Energiedichte als Quelle der
partikelfreien Räume kann durch die Trennung der Partikel in den
Plasmakristall-Experimenten geklärt werden. Dielektrophoretische
Kräfte stoßen Partikel mit höheren Permittivität (oder größere
Partikel, falls alle aus demselben Material sind) in die Richtung
der Regionen mit höherer elektrischer Energiedichte. Die Grenze
zwischen Partikeln unterschiedlicher Permittivität (oder Größe) ist
durch Isoflächen dieser Energiedichte geformt. Die Erklärung dieser
Phänomene (die auf der Distribution elektrischer Energiedichte
beruht) bietet einen neuen Standpunkt zur aktuellen Theorie, die
auf der Reibungskraft der Ionenströmung basiert.