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 stromungsdynamischer Effekte. Dieses Differentialgleichungssystem ist mit der Methode der finiten Elemente gelost worden, die die Verkuppelung verschiedener physikalischer Phanomene in beschrankten Bereichen ermoglicht. Die Sturm-Liouville Theorie ist als mathematisches Gerust verwendet worden, um Maxwellsche Gleichungen in beschrankten Hohlraumresonatoren mit inhomogenen Randbedingungen zu losen. Die Profile der elektrischen Energiedichte sind kalkuliert worden, sowohl fur den elektrostatischen Fall, als auch fur 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 fur Modellierung der Stromungsdynamik verwendet worden. Die Kopplung zu den elektromagnetischen Feldern ist auf der kinetischen Ebene durchgefuhrt worden. Dieses Herangehen uberbruckt 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 konnen die komplexen Plasmen zum Wirbeln bringen. Diese Herangehensweise ist neu, denn die gegenwartige Theorie betrachtet das Neutralgas im Ruhezustand, dabei wird der Reibungswiderstand auf die komplexen Plasmen ausuben. Die beobachteten Wirbel in dem PK-3 Plus Experiment konnen durch die Stromlinien dieser Gradienten erklart werden. Wir haben herausgefunden, dass der partikelfreie Raum in dem PK-3 Plus Experiment erklart werden kann, wenn man sowohl die Elektrostatik als auch die erste Eigenresonanzfrequenz der elektrischen Energiedichte der HF-Plasmakammer berucksichtigt. Dies ist durch ein dreidimensionales Modell visualisiert worden. Dieses Model erklart auch die Bildung sekundurer Raume, die durch die Einfuhrung metallischer Tastkopfe in die HF-Plasmakammer hervorgebracht werden. Die Hypothese der elektrischen Energiedichte als Quelle der partikelfreien Raume kann durch die Trennung der Partikel in den Plasmakristall-Experimenten geklart werden. Dielektrophoretische Krafte stosen Partikel mit hoheren Permittivitat (oder grosere Partikel, falls alle aus demselben Material sind) in die Richtung der Regionen mit hoherer elektrischer Energiedichte. Die Grenze zwischen Partikeln unterschiedlicher Permittivitat (oder Grose) ist durch Isoflachen dieser Energiedichte geformt. Die Erklarung dieser Phanomene (die auf der Distribution elektrischer Energiedichte beruht) bietet einen neuen Standpunkt zur aktuellen Theorie, die auf der Reibungskraft der Ionenstromung basiert.