Nonequilibrium phase transition in binary complex plasmas

Komplexe Plasmen sind Systeme bestehend aus schwach ionisierten
Gasen und mesoskopischen Partikeln. Partikel in einem Plasma
erhalten ihre Ladung hauptsächlich durch den Fluß von Ionen und
Elektronen auf denen Oberflächen. Abhängig von der Teilchengröße
und den Plasmabedinungen kann die Ladung pro Teilchen mehrere
tausend Elementarladungen betragen. Da das Hintergrundgas sehr dünn
ist, können Partikelsysteme unabhängig von dem Plasma betrachtet
werden. In vielen Fällen kann das Partikelwechselwirkungspotential
als Yukawapotential angenähert werden, welches im Wesentlichen ein
abgeschirmtes Coulombpotential ist. Kapitel 1 ist eine kurze
Einleitung in die theoretischen Konzepte komplexer Plasmen.
Aufgrund der Bedeutung des Mechanismus, beginne ich diese Arbeit
mit der Diskussion der Teilchenladung für zwei verschiedene
Situationen in Kapitel 2. Zunächst beschreibe ich ein einzigartiges
Experiment, die "Coulomb-Explosion", zur Messung der Teilchenladung
tief in der Plasmarandschicht. Ein Hybrid-Analyseverfahren,
bestehend aus Teilchenverfolgung, MD und PIC Simulationen, wurde
angewendet um die Ladung im Anfangsstadium der Explosion
abzuschätzen. Dieses wird mit einer theoretische Methode zur
Bestimmung der Partikelladung im Bulk-Plasma bei verschiedenen
Entladungsfrequenzen ergänzt. Die Abhängigkeit der Partikelladung
von der Entladungsfrequenz wird bei drei verschiedenen Drücken
gezeigt. Das verwendete Modell ist hilfreich um die Veränderung der
Teilchenladung in Abhänigkeit der Entladungsfrequenz abzuschätzen.
Die hohe Teilchenladung und die damit verbundene abstoßende
Teilchenwechselwirkung verhindern Partikelagglomeration. In Kapitel
3 stelle ich ein Experiment vor, in dem Partikelagglomeration durch
selbst-angeregte Wellen induziert wird. Innerhalb der Wellen werden
die Teilchen derart beschleunigt, dass das abstoßende Potential
durch die erhöhte kinetische Energie überwunden werden kann. Die
resultierenden Agglomerate werden mit einem "Long-Distance"
Mikroskop überprüft. Im Folgenden stelle ich ein System binärer
komplexer Plasmen vor. Unter bestimmten Bedingungen können
monodisperse Partikel in einer Monolage eingefangen werden. Die
Teilchen ordnen sich in einem Dreiecksgitter mit hexagonaler
Symmetrie an. Dies ist als 2D Plasmakristall bekannt. Wenn ein sich
bewegendes, einzelnes Teilchen einer anderen Spezies in das System
eingeführt wird, verursacht es eine Störung des Kristallgitters. In
Kapitel 4 werden die Untersuchungen der Wechselwirkung des
Kristallgitters mit einem sich oberhalb des Gitters (stromaufwärts
des Ionenflusses) befindlichen Teilchens diskutiert. Dieses
zusätzliche Partikel erzeugt einen Mach-Kegel, da es sich mit einer
Geschwindigkeit, schneller als der Schall in dem System bewegt. Das
stromaufwärts befindliche Teilchen neigt dazu sich zwischen Reihen
von Teilchen in dem Gitter zu bewegen, was als "Channeling-Effekt"
bekannt ist. Wenn Teilchen einer Spezies eine Partikelwolke einer
anderen durchdringen, bilden sowohl die durchfliessende als auch
die durchflossene Teilchenwolke Kettenstrukturen ("Lanes") aus. In
komplexen Plasmen ist die Wechselwirkung verschiedener Partikel
immer stärker abstoßend als das geometrische Mittel der
Wechselwirkung gleicher Partikel. Diese Asymmetrie in der
gegenseitigen Wechselwirkung heißt "Positive nicht-Additivität".
Deren Grad wird von dem nicht-Additivitäts Parameter bestimmt. In
Kapitel 5 beschreibe ich zuerst die Ergebnisse von
Langevin-Simulationen, um die Abhängigkeit der "Lane - Formation"
von dem nicht-Additivitäts Parameters zu studieren. Weiterhin wurde
die Rolle des Anfangszustands numerisch untersucht. Zusätzlich
wurde eine Reihe umfassender Experimente zur "Lane - Formation" an
Bord der Internationalen Raumstation (ISS) durchgeführt. Die
Auswertung der Experimente konzentrierte sich auf die Struktur der
durchflossenen Teilchen. Der Einfluss der Partikeldichten und
-größe wurden untersucht. Das Studium zweier aufeinanderfolgenden
Durchdringungen offenbarte einen "Memory-Effekt" in der
Kettenstruktur. Zusätzlich wurde ein Übergang von freier
"Lane-Formation" zu einem, von Entmischung dominierten, Zustand des
Nichtgleichgewichtsystems innerhalb einer Experimentreihe
beobachtet. Schließlich stelle ich einen ergänzenden Versuch zur
"Lane-Formation" in erdgebundenen Experimenten vor. Die Schwerkraft
wurde hier durch thermophoretische Kräfte kompensiert. In dieser
Versuchsreihe konnten die durch unregelmässige
Teilchengeschwindigkeiten und Inhomgenitäten in der durchflossenen
Teilchenwolke entstehenden Nachteile erfolgreich überwunden werden.
Mit diesem Modell-System kann die "Lane-Formation" im Detail
untersucht werden und die Ergebnisse mit denen numerischer
Simulationen und denen aus Experimenten in Kolloiden verglichen
werden.