MPE Jahresbericht 2002 / MPE Annual Report 2002

3.
Experimentelle Entwicklung und Projekte /
Experimental Development and Projects

3.5    Komplexe Plasmen / Complex plasmas

3.5.1   CIPS / CIPS

Zum 1. Januar 2000 wurde das "Centre for Interdisciplinary Plasma Science" (CIPS) als Forschungseinrichtung des Max Planck Instituts für exraterrestrische Physik und des Max Planck Instituts für Plasmaphysik gegründet. Bestimmte Bereiche der plasmaphysikalischen Forschung (Theorie und Komplexe Plasmen) und der Analyse (Statistische und Komplexe Systeme) beider Institute werden hier zusammengefasst. Das CIPS wird seitens der MPG mit ca. 4 Mio. EUR für die Aufbauphase der ersten 5 Jahre unterstützt. Das CIPS wird von Prof. Morfill (MPE) und Prof. Dose (IPP) gemeinsam geleitet. On January 1st 2000 the "Centre for Interdisciplinary Plasma Science" (CIPS) was founded as a joint research activity of the Max Planck Institut für extraterrestrische Physik and the Max Planck Institut für Plasmaphysik. In this centre, certain areas of plasma physics research (theory and complex plasmas) and analysis (statistical and complex techniques) are brought together for mutual benefit and synergy. CIPS is financed by the Max-Planck-Gesellschaft during the start-up phase of 5 years by an amount of approximately 4 Mio. EUR. CIPS is directed jointly by Prof. Mor-fill (MPE) and Prof. Dose (IPP).
In 2002 fand die erste Evaluierung des CIPS durch den Fachbeirat statt. Aus diesem Anlass wurde ein Zwei-Jahresbericht erstellt, in dem sowohl die MPE als auch die IPP CIPS-Aktivitäten zusammengefasst wurden. Dieser Bericht ergänzt die Zusammenfassung hier und ist vom MPE erhältlich. In 2002 CIPS was evaluated by the "Fachbeirat" for the first time. In order to facilitate the work of this visiting committee, a 2-year report of MPE/IPP-CIPS-activities was compiled. This report complements the presentation given here and is available through the MPE.

3.5.2   Weltraum- und Laboraktivitäten / Space and Laboratory Activities

Abb.3-18: Kosmonaut Yuri Gidzenko, Kommandant und Pilot der 3. Taximission zur ISS, an Bord der Raumstation bei der Bedienung unseres Telescienc-Computers.

Fig. 3.-18: Cosmonaut Yuri Gidzenko, commander and pilot of the 3rd Taxi Mission to the ISS, on board of the space station at the operation on our Telescience computer.

Abb. 3-19: Kosmonaut Tretchov, Bord-Ingenieur der 5. permanenten Crew, mit unserer in der Transferkammer montierten Experimenteinheit.

Fig. 3-19: Cosmonaut Tretchov, board engineer of the 5th permanent crew, with our experimental unit mounted in the transfer chamber.

PKE-Nefedov ist eine Experimentanlage, die zur Zeit in deutsch-russischer Kooperation auf der Internationalen Raumstation ISS betrieben wird. Sie wurde von den Kosmonauten und Astronauten der ersten Langzeitbesatzung als erstes physikalisches Experiment an Bord aufgebaut und in Betrieb genommen. Seit Beginn der Experimente unter Schwerelosigkeit liefert die Apparatur interessante neue Ergebnisse und detaillierte Einblicke in die Welt der sogenannten komplexen Plasmen (siehe dazu auch Kapitel 2.5). Während des Jahres 2002 wurden zwei weitere Missionen mit PKE-Nefedov auf der ISS durchgeführt, im Mai mit der Taximission 3 (Kosmonaut Y. Gidzenko, Abb. 3‑18) und im August mit Expedition 5 Crew (Kosmonaut Tretchov, Abb. 3-19). Diese beiden Missionen waren dedizierten Experimenten gewidmet, dem gezielten Kristallwachstum und der Untersuchung der Entladung komplexer Plasmen nach dem Ausschalten der Plasmaquelle. PKE-Nefedov is an experiment which is currently operated in a German-Russian cooperation on board of the International Space Station ISS. It was built up and activated as the first experiment in physics by the cosmonauts and astronauts of the first long-term crew. From the beginning of the experiments under zero gravity the device produced interesting new results and detailed insights into the world of the so-called complex plasmas (see also chapter 2.5). In 2002 two further missions with PKE-Nefedov were conducted on the ISS, in May with the taxi mission 3 (cosmonaut Y. Gidzenko, Fig. 3-18) and in August with the expedition 5 crew (cosmonaut Tretchov, Fig. 3-19). Both missions were dedicated to specifc experiments, the crystal growth and the investigation of the discharging of complex plasmas after switching off the plasma source.
Im Oktober wurde am Institut das 2. PKE-Nefedov Symposium ausgerichtet. Wissenschaftler, die Kosmonauten, die beteiligten Firmen und Agenturen haben zum Gelingen dieses Symposiums durch ihre Berichte beigetragen. In October the 2nd PKE-Nefedov symposium took place at the Institute. Scientists, the cosmonauts, participating companies and agencies contributed to the success of the symposium by presenting their reports.
PKE-Nefedov ist das erste Experiment seiner Art im Orbit. PK3-Plus wird das Nachfolgemodell sein, mit einer verbesserten Technik, die weitere Experimente unter Schwerelosigkeit ermöglichen wird und damit ein besseres Verständnis der Physik komplexer Plasmen verspricht. PKE-Nefedov is the first experiment of its kind in the orbit. PK3-Plus will be the follow-up model with an improved engineering, which will allow further experiments under zero gravity, promising a better understanding of the physics of complex plasmas.
Im Oktober 2002 veranstaltete das DLR eine Parabelflugkampagne für insgesamt ca. zehn wissenschaftliche Experimente aus den Bereichen der Life Science, Medizin und Physik. Die Kampagne fand in Bordeaux statt, wo ein für Parabelflüge ausgerüsteter Airbus A300 für wissenschaftliche Experimente zur Verfügung steht (Abb. 3-20). Es fanden vier Flüge zu je 31 Parabeln statt. Die Organisation lag in den bewährten Händen von Frau Dr. Friedrich (DLR). In October 2002 DLR organized a parabolic flight campaign for in total about ten scientific experiments from the fields of Life Science, Medicine and Physics. The campaign took place in Bordeaux, where an Airbus A300 equipped for parabolic flights is available for scientific experiments (Fig. 3-20). There were four flights with 31 parabolas each. The organization was done reliably by Frau Dr. Friedrich (DLR) as usual.
Abb. 3-20: Einbau der PK 3-Plus Experiment-Nutzlast in den Airbus A300 zum Test auf Parabelflügen.

Fig. 3-20: Integration of the PK 3-Plus experiment payload into the Airbus A300 for test on parabolic flights.

Eines der Experimente war unsere PK3-Plus Nutzlast. Die neue Apparatur unterscheidet sich von PKE-Nefedov durch eine homogenere Gasentladung, sechs Mikropartikeldispensoren (vorher zwei), ein modifiziertes Gasfüllsystem und eine verbesserte Messelektronik. One of the experiments was our PK3-Plus payload. The new set-up differs from PKE-Nefedov by a homogenous gas discharge, six microparticle dispensors (instead of two), a modified gas filling system, and an improved measuring electronics.
Primäres Messziel war die Charakterisierung der neuen Plasmakammer unter Schwerelosigkeit (Abb. 3-21). Besonders interessant in diesem Kontext ist die Verwendung von besonders großen Partikeln, die im Labor wegen ihres Gewichts nicht im Plasma gefangen werden können. Aber auch besonders feine Körnungen im 1µm Bereich liefern wichtige Informationen über etwaige Konvektionsbewegungen des Neutralgases bei eingeschalteter Gasentladung. Wichtig im Hinblick auf den Einsatz auf der Raumstation sind auch Alternativen bei der Auswahl des zu verwendenden Edelgases (Neon, Argon, Krypton, Xenon). Obwohl rein technische Fragen den Aufwand einer Parabelflugkampagne nicht rechtfertigen können, sind die Flüge auch von diesem Aspekt äußerst wertvoll, weil der Einsatz einer Nutzlast außerhalb des Labors regelmäßig technische Schwächen aufzeigt. The primary goal of the measurement was the characterization of the new plasma chamber under zero gravity (Fig. 3-21). Of particular interest in this connection is the use of especially large particles, which cannot be confined in a laboratory plasma due to their weight. But also very small grains in the 1µm regime provide important informations on possible convection streams of the neutral gas at running discharge. Alternatives in the choice of the noble gases (Neon, Argon, Krypton, Xenon), are also important with respect to their employment on the space station. Although purely technical questions cannot justify the expenses of a parabolic flight campaign, the flights are very valuable also with respect to this aspect since the use of a payload outside of the laboratory shows regularly technical difficulties.
Abb. 3-21: Das Herzstück der neuen PK3-Plus Apparatur, die Plasmakammer. Zu erkennen ist das violette Leuchten des Plasmas und der Laserstrahl, der zur Beleuchtung der Mikropartikel benutzt wird.

Fig. 3-21: The heart of the new PK3-Plus apparatus, the plasma chamber. One recognizes the violet glow of the plasma and the laser beam used for illuminating the microparticles.

PK4 ist ein neue Experimentierapparatur für Mikrogravitationsexperimente auf der ISS und befindet sich zur Zeit in einer Vorentwicklungsphase am MPE und dem Institut für Hochenergie-Dichte-Forschung (IHED) in Moskau, die vom DLR finanziert wird. Die zentrale Eigenschaft des Apparats ist eine gläserne Vakuumröhre in welcher DC, induktive RF und kombinierte Entladungen verwendet werden, um die Mikropartikel einzuschließen und zu kontrollieren. Die Vorteile dieses Designs umfassen sowohl einen größeren optischen Zugang bei der Partikeldiagnostik und der Lasermanipulation als auch die Möglichkeit elongierte Systeme, z.B. Soliton- oder Schockwechselwirkungsexperimente und Partikelwolken-Kollisions-Experimente, zu studieren. PK4 is a new experiment device for microgravity complex plasma experiments on the ISS and is currently in a pre-development phase at the MPE and at the Institute for High Energy Density Research (IHED) in Moscow, with financial support from the DLR. The central feature of the apparatus is a glass vacuum tube in which DC, inductive RF and combined discharges will be used to confine and control micron-sized particles. Advantages of this design include greater optical access for both particle diagnostics and laser manipulation, as well as the possibility to study elongated systems, for example, soliton or shock interaction experiments and cloud collision experiments.
Abb. 3-22: Experimentaufbau des PK4 Laborprototyps.

Fig. 3-22: Snapshot of the PK4 laboratory prototype experiment set-up.

Wir beabsichtigen, am Ende der Vorentwicklungsphase (Februar 2004) über ein Labor- und Parabelflugmodell zu verfügen, welches in einer Parabelflugkampagne getestet sein wird. Mittels diese Modells werden wir in der Lage sein, mit den Anforderungen an das Flugmodell in der nächsten Phase weiterzumachen. In Abb. 3-22 ist der zur Zeit betriebene Laborprototyp gezeigt. Der Prototyp erfährt täglich Verbesserungen und Charakterisierungsstudien der Entladung werden bereits vorgenommen. Der nächste größere Schritt im Experiment wird die Parabelflugkampagne sein. Sie wird im November 2003 stattfinden und soll zum einen die Staubverteilung und den Einschluss in der Entladung zum anderen mehrere Prototypexperimente für den Einsatz auf der ISS testen. Weitere Informationen zu PK4 befinden sich unter http://www.mpe.mpg.de/pk4/ At the end of the pre-development phase (February 2004), we expect to have a laboratory and parabolic flight model system, tested in a parabolic flight campaign. With this model we will be able to move ahead with flight model requirement definitions in the next phase. Shown in Fig. 3-22 is the current working laboratory prototype. The prototype is undergoing daily upgrades and the first characterization studies of the discharge are underway. The major upcoming milestone in the experiment is the parabolic campaign. It will take place in November 2003 and is intended to test dust distribution and confinement in the discharge as well as several prototype ISS experiments. Please see the PK4 website http://www.mpe.mpg.de/pk4/ for more information.
Die Arbeiten zur Vorentwicklungsstudie der International Microgravity Plasma Facility IMPF, die Mitte 2000 begonnen und von DLR finanziert wurden, wurden Ende 2002 fertiggestellt. Die Entwicklung, an denen das MPE als "Principal Investigator" beteiligt ist, hat in 2002 einen weiteren Schritt in Richtung Realisierung getan. Durch die Zusammenlegung von IMPF mit einer Einrichtung zur Untersuchung der "Wechselwirkung in kosmischen und atmosphärischen Teilchensystemen" (ICAPS) wurden Synergien ausgenutzt, um somit eine größere Wissenschaftsgemeinde anzusprechen. Die Zusammenlegung der beiden Einrichtungen, beide haben in einer ESA-Ausschreibung die höchste Benotung "outstanding" bekommen, wurde dem IMPF Advisory Board (AB) bei dessen 9. Treffen in Durban, Südafrika, von ESA und dem Industriepartner Kayser-Threde erstmalig vorgestellt. The work within the pre-development phase of the International Microgravity Plasma Facility IMPF, which started in the middle of 2000 financed by DLR, was completed at the end of 2002. The development, in which the MPE participates as "Principal Investigator", has proceeded further towards its realization. By combining the IMPF with a facility for investigating "Interactions in Cosmic and Atmospheric Particle Systems" (ICAPS), synergetic effects have been utilized for addressing a large scientific community. The combination of the two facilities, which obtained both the highest ranking "outstanding" in an ESA invitation, was introduced for the first time to the IMPF Advisory Board (AB) by ESA and the industrial partner Kayser-Threde at the 9th meeting in Durban.
Neben den neuen Entwicklungen wurden vergleichende Laboruntersuchungen an Plasmen mit einer Langmuirsonde und einem Spektroskopen durchgeführt. Die Ergebnisse wurden auf dem 10. Advisory Board Treffen im Dezember in München vorgestellt. Besides the new development comparing laboratory investigations on plasmas with Langmuir probes and spectroscopes were performed. The results were presented in December at the 10th Advisory Board meeting in Munich.
Mit dem neuen Hochfeld-Labor fügt das MPE dem Plasmakristall-Experiment die letzte fehlende Komponente hinzu, die man i.A. bei Plasmen in der Natur findet: Das Magnetfeld. Anders als im Paramagnet-Labor, wo das Magnetfeld benutzt wird, um Teilchen zu levitieren, wird im Hochfeld das Verhalten komplexer Plasmen in einem starken, homogenen Magnetfeld untersucht. With the new High-Field Laboratory the MPE adds the last missing component to the plasma crystal experiment, which is found in plasmas in nature in general: the magnetic field. In contrast to the paramagnetic laboratory, where the magnetic field is used for levitating particles, the behavior of complex plasmas in a strong, homogenous magnetic field is investigated.
Abb. 3-23: Erster Testaufbau im Hochfeld-Labor mit einer kugelsymmetrischen Plasmakammer.

Fig. 3-23: First test set-up in the high-field laboratory with a spherical symmetric plasma chamber.

Nach der Lieferung des supraleitenden Magneten im Februar 2002 wurde dieser einem Abnahmetest unterzogen. Hierzu wurde der Magnet über einen geschlossenen He-Kühlkreislauf innerhalb einer Woche auf eine Temperatur von 3-4°K abgekühlt. Die spezifizierte maximale Induktion von 4 Tesla wurde erreicht, unabhängig von der Lage des schwenkbaren Magneten. Auch die geforderte Homogenität von weniger als 1% innerhalb eines Zylinders von 5 cm Höhe und 10 cm Durchmessers konnte bestätigt werden. Anschließend wurden erste Experimente vorbereitet. Eine zuvor entwickelte Unterstützungsstruktur wurde dafür in den Magneten integriert. Die eigentliche Plasmakammer, ein Verschiebetisch mit Kamera und Beleuchtungssystem, wie auch der Partikel-Zer­stäuber wurden darauf montiert. Letzterer musste stark modifiziert werden, da keinerlei ferromagnetische Materialien ins Innere des Spulensystems gebracht werden dürfen. Als Plasmakammer diente bei den ersten Experimenten eine Kugelkammer, wie sie bereits in Parabelflügen im Jahr 2000 unter anderen Gesichtspunkten erfolgreich erprobt wurde. Die kapazitive Entladung erfolgt dabei zwischen zwei parallelen Elektrodenringen. (Abb. 3-23). Es zeigte sich jedoch, dass diese Konfiguration für Experimente im starken Magnetfeld wenig geeignet ist, da bereits bei kleinen Magnetfeldstärken das Plasma stark inhomogen wird und die eingebrachten Mikropartikel aus dem beobachtbaren Gesichtsfeld verschwinden. Für weitere Experimente wurde eine Kammer verwandt, wie sie auch für das PKE Projekt entwickelt wurde. Diese muss jedoch noch modifiziert werden. Um des weiteren den Sicherheitsanforderungen an das Magnetsystem gerecht zu werden, wurde eine fernbedienbare Unterstützungsstruktur entwickelt, so dass die Justagen der wesentlichen Experimentkomponenten inklusive der Ausrichtung der Plasmakammer aus sicherer Distanz vorgenommen werden können. After the delivery of the superconducting magnet in February 2002, the magnet was subjected to an acceptance test. For this purpose the magnet was cooled down to 3-4°K within one week by a closed He cooling circuit. The specified maximum induction of 4 Tesla was achieved independently of the position of the swivel magnet. Also the required homogeneity of less than 1% within a cylinder of 5 cm height and 10 cm diameter could be confirmed. Afterwards first experiments were prepared. For this a previously developed support structure was integrated in the magnet. The actual plasma chamber, a movable mounting table with camera and illuminating system as well as the particle dispensor were mounted on this structure. The dispensor had to be modified to a large extent, since ferromagnetic materials must not be brought into the interior of the coil system. A spherical chamber, which had been tested successfully in parabolic flights already in 2000 under a different point of view, served as the plasma chamber. The capacity discharge occurs between two parallel electrode rings (Fig. 3-23). It turned out, however, that this configuration is not suited for experiments in strong magnetic fields as the plasma becomes inhomogeneous already at a small magnetic field strength and the injected microparticles leave the observable field of view. For further experiments a chamber was employed, which had been developed for the PKE project. This chamber, however, has still to be modified. Furthermore, for obeying the security requirements concerning the magnet system, a support structure manageable by remote control was developed. In this way the adjustment of the essential experiment components including the orientation of the plasma chamber can be done from a secure distance.
Einige Komponenten für das Paramagnetische Labor wurden vom IPP gestellt, andere mussten speziell entworfen und gebaut werden. Der erste Systemtest fand im Februar 2002 statt und im April 2002 konnten die ersten erfolgreichen Experimente durchgeführt werden. Abb. 3‑24 zeigt den momentanen Zustand des Labors.

Some components for the Paramagnetic Laboratorywere provided by IPP, some had to be designed and manufactured specially. The first system test took place in February 2002 and in April 2002 the first successful experiments were conducted. Fig. 3-24 shows the current status of the laboratory.

Abb. 3-24: Das paramagnetische Labor. Die Magnetfeldspulen sind oberhalb der hier sichtbaren Experimentapparatur angebracht.

Fig. 3-24: The paramagnetic Laboratory. The magnetic field coils are mounted above the experimental set-up visible here.

Ein neuer Prototyp der Adaptiven Elektrode (A.E.) mit einer reduzierten Pixelfläche und einer innovativen Technologie für die Vorschübe wurde realisiert und getestet. Die vollständige Reaktion des Plasmas auf die Anregungen durch die A.E., lokal oder global, kann nun mittels einer Theorie auf andere Kammern übertragen werden. Partikel, die von oben oberhalb der A.E. injiziert werden, visualisieren die Plasmarandschicht in verschiedenen Operationsmoden. Unter diesen ist die positive Randschicht besonders interessant, da die negativ geladenen Teilchen nur dann in einer Doppelschicht levitiert werden, wenn die Elektronen, beschleunigt durch die Doppelschicht, eine Energie vergleichbar zur Ionisationsenergie erreichen (Abb. 3-25). Diese Forschungen mit zugehöriger Diagnostik durch optische Emissionsspektroskopie und Langmuir-Sonde machen Fortschritte. Vorläufige Stu­dien der Zeitabhängigkeit wurden unternommen. Eine neue Software wird bald die volle Kontrolle der Pixel bis zu 100 Hz erlauben. Durch Anregung einer Reihe von Pixeln können wir eine ebene Front von levitierten Teilchen erzeugen. Experimente mit Teilchenwolkenkollisionen unter verschiedenen Winkeln sind geplant. Die wissenschaftliche Arbeit schreitet parallel mit industriellen Kontakten voran, die auf der Hannover Messe hergestellt wurden und zu Kooperationen führen dürften. A new prototype of the Adaptive Electrode (A.E.) with a reduced area of the pixels and an innovative technology for the feed-throughs has been realised and tested. The full response of the plasma to the A.E. solicitations, either local or global, can now, by means of a theory, be transferred to other chambers. Particles injected above the A.E. visualise the plasma sheath in different modes of operation. Among those the positive sheath is particularly interesting because the negatively charged particles are levitated in a double layer only if the electrons accelerated by the double layer reach an energy comparable with the ionisation (Fig. 3-25). This research is in progress with the associated diagnostics of optical emission spectroscopy and Langmuir probe. The time dependence has been preliminary studied. A new software will soon allow the full control of the pixels up to 100Hz. Exciting one row of pixels in sequence we can create a planar front of levitated particles. Experiments are planned in which fronts of particle’s clouds collide with different angles. The scientific work proceeds in parallel with some industrial contacts, established during the Hannover Industrial Fair, which may lead to collaborations.
Abb. 3-25: Teilchen levitiert in der Feldinversion einer Doppelschicht oberhalb der positiven Pixel der adaptiven Elektrode.

Fig. 3-25: Particles levitated in the field inversion double layer above a positive pixel of the adaptive electrode.

In Zusammenarbeit zwischen den experimentellen Gruppen "Komplexe Plasmen" am MPE und der "Niedertemperatur-Plasmaphysik" am IPP, wurde ein neues Experiment zum Wachstum von Kohlenstoff-Mikro­partikeln in einem Kohlenwasserstoffplasma aufgebaut. Der wesentliche Punkt des Experiments ist die Möglichkeit, die Energieverteilung der Elektronen durch eine spezielle, patentierte Kontrolle zu manipulieren, um Diamantwachstum auf Diamantkeimen zu erreichen. Wir waren in der Lage, Teilchen im Plasma zu levitieren und eine Teilchenwolke mittels eines Videosystems zu beobachten. Für in-situ Messungen der Teilchengröße haben wir Mie-Streuung-Ellipsometrie installiert. In a collaboration between the experimental groups "Complex Plasmas" at MPE and "Low-temperature Plasma Physics" at IPP, a new experiment for the growth of carbon micro particles in a hydrocarbon plasma was constructed. The key point of the experiment is the possibility to control the electron energy distribution by a specific proprietary control to achieve diamond growth on diamond seed particles. We could levitate particles in a plasma and observe a particle-cloud by a video system. For in-situ measurements of particle size, we installed Mie scattering ellipsometry.
Die Projekte PKE-Nefedov (Förderkennzeichen FKZ 50 WM 9852), IMPF-Vorentwicklung (FKZ 50 WM 0038), PK 3-Plus (FKZ 50 WB 0203), PK4 (FKZ 50 WB 0204) und Adaptive Elektrode (FKZ 50 RT 0207) werden vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR gefördert. The projects PKE-Nefedov (Förderkennzeichen FKZ 50 WM 9852), IMPF-Pre-Development (FKZ 50 WM 0038), PK 3-Plus (FKZ 50 WB 0203), PK4 (FKZ 50 WB 0204) and Adaptive Electrodes (FKZ 50 RT 0207) are supported by the DLR (Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt).
   

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