MPE Jahresbericht 2003 / MPE Annual Report 2003

3.    Experimentelle Entwicklung und Projekte /
   Experimental Development and Projects

3.5   Komplexe Plasmen / Complex plasmas

Die hier zusammengefassten Labor- und Weltraumaktivitäten wurden im Rahmen des "CIPS" (Centre for Interdisciplinary Plasma Science) durchgeführt – eine gemeinsame Initiative zwischen dem MPE und dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP).

The laboratory and space activities summarised here were carried out within the "CIPS" (Centre for Interdisciplinary Plasma Science) – a joint initiative between MPE and the Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP).

CIPS wurde formal im Januar 2000 gestartet und wird zentral aus speziellen MPG Geldern finanziert, sowie auch aus den beiden Instituten. Die zentrale Finanzierung von CIPS endet im Dezember 2004. Natürlich ist das gesamte Spektrum der CIPS-Aktivitäten breiter als die Auszüge, die hier gegeben sind (insbesondere die IPP-basierten Aktivitäten sind nicht im MPE-Report enthalten). Es wird einen speziellen CIPS "Abschlussbericht" geben, herauszugeben im Oktober 2004 rechtzeitig für das CIPS-Fachbeirat Treffen, welches für November 2004 geplant ist. Dieser Schlussbericht wird natürlich übergreifend sein.

CIPS was started formally in January 2000 and is supported centrally from a special MPG project fund as well as from the two institutes. The central founding for CIPS will finish in December 2004. Of course, the whole spectrum of CIPS activities is broader than the excerpts given here (in particular the IPP-based activities are not included in this MPE-Report). There will be a special CIPS "Final Report" issued in October 2004, in time for the CIPS Fachbeirat meeting, which is scheduled for November 2004. The final report will, of course, be comprehensive.

PKE-Nefedov ist nun schon das dritte Jahr auf der Internationalen Raumstation ISS in Betrieb. In 2003 wurden 4 Missionen mit jeweils drei Experimentserien durchgeführt, die unterschiedlichen wissenschaftlichen Themen gewidmet waren. Die Experimente im Januar und April wurden von Kosmonaut Nicolay Budarin (s. Abb. 3-15) durchgeführt. Die Mission im Juli hat Kosmonaut Yuri Malenchenko (Abb. 3-16) begleitet, und die bereits 10. Mission mit PKE-Nefedov auf der ISS wurde von dem Kosmonauten Alexander Kaleri im Dezember durchgeführt. Damit ist PKE-Nefedov das erfolgreichste und am meisten benutzte Experiment auf der ISS.

PKE-Nefedov is now in its third year of operation on the International Space Station ISS. In 2003 four missions with three experimental series each were performed, dedicated to different scientific topics. The experiments in January and April were carried out by cosmonaut Nicolay Budarin (Fig. 3-15). The mission in July was accompanied by cosmonaut Yuri Malenchenko (Fig. 3-16), and the 10th mission with PKE-Nefedov on the ISS was performed by the experienced cosmonaut Alexander Kaleri in December. This makes PKE-Nefedov the most successful and most widely used experiment on the ISS.

Abb. 3-15: Kosmonaut Nicolay Budarin, der zwei Experiment-Serien mit PKE-Nefedov durchführte, beim Audiokontakt von der ISS zum Boden.

Fig. 3-15: Cosmonaut Nicolay Budarin, who carried out two experiment series with PKE-Nefedov, during an audio contact from the ISS to ground.

Abb. 3-16: Kosmonaut Yuri Malenchenko mit unserer, in der Transferkammer der ISS montierten, Experimenteinheit.

Fig. 3-16: Cosmonaut Yuri Malenchenko with our experimental unit mounted in the transfer chamber of the ISS.

Jeder Kosmonaut, der unser Experiment durchführte, wurde von unseren russischen Kollegen im Umgang mit unserer Apparatur trainiert. Während der Durchführung der Experimente auf der ISS wurden sie von einer Gruppe von wissenschaftlichen und technischen Spezialisten aus dem Kontrollzentrum in Korolev begleitet. Die direkte Übertragung der Experimentdaten und der Kontakt mit dem Kosmonauten über Audio ermöglichen eine direkte Kontrolle des Experimentfortganges und ein manuelles Eingreifen bei Fehlentwicklungen oder komplizierten Experimentabläufen.

Each cosmonaut, who carried out our experiments, was trained by our Russian colleagues in the control of our apparatus. During the course of the experiments on the ISS they were accompanied by a group of scientific and technological specialists from the control center in Korolev. The direct transmission of the experimental data and the contact to the cosmonauts via audio allows the direct control of the experimental procedure and manual intervention in case of problems or for executing unplanned and complicated experiment procedures.

Das Trainingsmodell, das sich in Moskau befindet, wurde nach über drei Jahren intensiver Nutzung vor der Mission im Juli demontiert, die Plasmakammer gereinigt und die Ressourcen (Gas und Mikropartikel) wieder aufgefüllt. Einige zusätzliche Tests, die nur im geöffneten Zustand möglich waren und die Informationen über wichtige Komponenten lieferten, wurden durchgeführt. Diese Informationen sind wichtig für das Nachfolgeprojekt PK-3 Plus.

The training model, located in Moscow, was de-assembled after more than three years of intensive use before the July mission. The plasma chamber was cleaned and the resources (gas and microparticles) were refilled. Some additional tests, only possible in the open configuration, were performed to obtain information on key components. This information is important for the follow-up project PK-3 Plus.

Die Entwicklung und der Bau des Nachfolgeexperimentes auf der ISS, PK-3 Plus, befindet sich im Zeitplan, mit einem voraussichtlichen Start Mitte 2005. Dieses Jahr wurde das Ingenieursmodell aufgebaut und eingehend getestet. Dazu wurde auch eine Parabelflugkampagne im Oktober durchgeführt. Weiterhin wurde das Preliminary (Juni) und das Critical (Oktober) Design Review abgehalten. Neben der eigentlichen Experimenteinheit wurde auch beschlossen einen neuen Steuer- und Datenerfassungsrechner zu entwickeln, der mehr Bedienungkomfort bietet und wissenschaftlich einen höheren Nutzen bedeutet. Damit besteht nun ein Gesamtkonzept für PK-3 Plus, das einen großen wissenschaftlichen Fortschritt verspricht.

The development and construction of the follow-up experiment on the ISS PK-3 Plus is in the time schedule, with an estimated launch in the middle of 2005. This year the engineering model was built and tested exhaustively. A parabolic flight campaign in October was performed to test the microgravity behavior of the instrument. Also Preliminary (June) and Critical (October) Design Reviews were held this year. Beside the actual experimental unit it was decided to develop a new control and data storage computer which provides more comfort to the user and improves the scientific return. Thus a total concept exists for PK-3 Plus that promises great scientific progress.

Abb. 3-17: Das Foto zeigt das, aus mittlerweile einem hochintegrierten Rack bestehende, PK-3 Plus Ingenieursmodell (Hintergrund) und die PK-4 Hardware (Vordergrund) in den Airbus A300 eingebaut zum Test auf Parabelflügen.

Fig. 3-17: The image shows the, in the meantime, highly integrated rack consisting of PK-3 Plus engineering model in the back and the PK-4 hardware in the front assembled into the Airbus A300 for test on parabolic flights.

Die Parabelflugkampagne, die 35. ESA Kampagne, war das herausragende Ereignis in diesem Jahr. Sie lieferte nützliche Informationen über die Funktionalität der Apparatur unter Schwerelosigkeit und brachte zudem interessante wissenschaftliche Ergebnisse. Zusätzlich wurde das Ingenieursmodell fertig gestellt, so dass Tests und Experimente mit einer nahezu flugfertigen Experiment- und Elektronik-Hardware durch­geführt werden konnten (Abb. 3-17). Ein wichtiges technologisches Ziel der Kampagne galt der Überprüfung, dass unter Schwerelosigkeit keine Mikropartikel die Experimenthardware verlassen. Dies konnte erfolgreich gezeigt werden. Allerdings wurde festgestellt, dass Mikropartikel unter den besonderen Bedingungen auf den Parabelflügen, also den mehrfachen Hoch-g und Null-g Phasen und deren Übergängen, die Experimentkammer verlassen und sich an dem Nadelventil des Druckreglers absetzten. Für normale Partikelgrößen von einigen µm stellt dies kein Problem dar, jedoch für die, auf den Flügen getesteten, Partikel von 0.2 mm Durchmesser. Sie haben das Nadelventil blockiert und damit eine genaue Druckregelung unmöglich gemacht. Als Konsequenz werden wir bei dem ISS-Experiment auf Teilchengrößen von über 20 µm verzichten und noch einen zusätzlichen Filter einbauen, der das Nadelventil vor jeglicher Verschmutzung schützt. Letzteres muss nochmals unter der besonderen Beanspruchung auf Parabelflügen getestet werden.

The parabolic flight campaign, the 35th ESA campaign, was the major event this year. It provided useful information on the functionality of the apparatus under low-gravity conditions and delivered interesting scientific results. The engineering model was completed, so that the experiments could be performed with a nearly finished "flight ready" experiment and electronic hardware (Fig. 3-17). One important technical goal of the campaign was to check that microparticles cannot escape from the experimental hardware under low-gravity conditions. This could be verified. However, it was noticed that micropraticles can leave the experimental chamber under the special conditions of the parabolic flights, the multiple high-g and low-g phases and their transitions, and that they can settle on the needle valve of the pressure regulator. For usual particle sizes of some µm this causes no problem. However for particles of 0.2 mm diameter, which were tested on the flights, it does. They blocked the needle valve and therefore made an exact pressure control impossible. As a consequence we will not use particles of sizes more than 20 µm and install an additional filter, which should protect the needle valve from any pollution. This design modification will be tested under the special parabolic flight conditions once more.

Erheblicher Fortschritt konnte auch bei dem, DLR-finanzierten, PK-4 Vorentwicklungs-Projekt erreicht werden. PK-4 ist die Weiterführung der, mit PKE-Nefedov gestarteten, erfolgreichen Serie von Schwerelosigkeitsexperimenten. Es besteht aus einer Röhre von 3 cm Durchmesser, in der das DC-Entladungs-Plasma erzeugt wird. Ebenfalls bedeutend sind die zwei RF-Spulen, welche eine lokale induktive Entladung entlang der Röhre erzeugen (Abb. 3-18). Teilchen werden in den Seitenarmen der Röhre injiziert und durch das elektrische DC-Feld in die Hauptröhre transportiert. Die Partikel können von den eingeschalteten RF-Spulen eingefangen werden. Die Teilchen werden mit der beweglichen Kamera, gezeigt in der oberen linken Ecke von Abb. 3-18, sichtbar gemacht. Ein großer Teil des Ingenieursaufwands in diesem Jahr galt dem Design des Kamera/Laser-Beobachtungs­systems, sowie der Computer-Kontrolle des Gesamtsystems in Vorbereitung der Parabelflugkampagne.

Significant progress has also been made in the, DLR financed, PK-4 predevelopment phase project. PK-4 is the continuation of the successful line of microgravity experiments that started with PKE-Nefedov. It consists of a 3 cm diameter tube in which a DC glow discharge plasma is maintained. Also significant are two RF coils which induce local inductive discharges along the tube (Fig. 3-18). Particles are injected from the side-arms of the tube and transported to the main central tube by the DC electric field. The particles can be trapped by the RF coil fields, when turned on. The particles are visualized with the movable camera shown in the upper left corner of Fig. 3-18. A large fraction of the engineering effort during the last year went into the design of the camera/laser visualization system, as well as into computer control of the whole system, to be prepared for the parabolic flight campaign.

Abb. 3-18: Überblick über die PK-4 Plasmakammer. Gezeigt ist die Turbopumpe mit Ventil (zentraler Turm), die Entladungsröhre mit dem brennenden DC-Plasma, einen Teilchendispensor (zentral links unten), zwei RF-Spulen und die Kamera (oben links).

Fig. 3-18: Overview of PK-4 experiment chamber. Shown are the turbo pump and valve (central tower), the discharge tube with dc plasma burning, one dust dispenser (centre-left-bottom), the 2 RF coils and the camera (upper left.).

Das PK-4 Projekt hat mit seiner ersten Parabelflugkampagne im Oktober einen bedeutenden Meilenstein erreicht. Die Parabelflugeinheit ist in Abb. 3-17 gezeigt. Die Kampagne, zusammen mit PK-3 Plus durchgeführt, gab uns die Möglichkeit mehrere kritische Systemkomponenten zu testen, darunter die Teilchendispensoren, die Gasfluss-Regelung und die Teilchenverteilung im RF- und DC-Betrieb. Zusätzlich haben wir den in Wellenanregung resultierenden Teilchenfluss im reinen DC-Betrieb, sowie Wolkenkollisionen und sich durchdringende Teilchenflüsse untersucht. Einige interessante Phänomene konnten bei letzteren Experimenten beobachtet werden, darunter groß- und kleinräumige Linienbildung und Teilcheneinfang in Wellenfronten.

The PK-4 project reached a significant milestone in October, its first parabolic flight campaign. The parabolic flight apparatus is shown in Fig. 3-17. The campaign, jointly carried out with PK-3 Plus, gave us a chance to test several critical system components, specifically the particle injectors, gas flow regulation, and particle distribution in RF and DC experiment regimes. In addition, we observed particle flows resulting in wave excitation in the pure DC regime as well as cloud collisions and interpenetrating particle flows. Several interesting phenomena were observed during the interpenetrating flows including large and small scale lane formation and particle trapping in wave fronts.

Einige technische Schwierigkeiten mit dem Experimentapparat wurden festgestellt. Die schwerwiegenste war die ungenügende elektrische Isolation der Teilchendispensoren. Diese technischen Probleme wurden behoben und das Experiment wird wieder auf der ESA-Frühjahrskampagne 2004 fliegen.

We encountered several technical difficulties with the experiment apparatus. The most significant one was the insufficient electrical isolation of the particle dispensers. These technical problems have been corrected and the experiment will fly again on the ESA campaign Spring 2004.

Nach der Entscheidung in 2002, dass IMPF ("International Microgravity Plasma Facility") mit der ICAPS ("Interactions in Cosmic and Atmospheric Particle Systems") Facility kombiniert wird, wurde auf einem Treffen in ESTEC im Februar dem neuen gemeinsamen Projekt der Name IMPACT ("International Microgravity Plasma, Aerosol and Cosmic Dust Twin" Laboratory) gegeben. Während des Treffens trafen sich die beiden Wissenschaftsgemeinschaften zum ersten Mal und informierten die jeweils andere über ihr wissenschaftliches Programm. Möglichkeiten zur zu­künftigen Zu­sammenarbeit wurden diskutiert. Durch die Verschmelzung zu einem einzelnen Labor an Bord der ISS, d.h. die Benutzung einer gemeinsamen Infrastruktur für beide Experiment-Einschübe, ergibt sich eine starke Kostenverringerung, die die Chancen für die Realisierung der Projekte erheblich vergrößert. Während einer Phase B Studie, finanziert von ESA und gestartet im Oktober diesen Jahres, soll unser Industriepartner Kayser-Threde, zusammen mit einem gemeinsamen Facility Science Team, Design und Verwirklichung von IMPACT an Bord der ISS untersuchen. Das Ziel eines weiteren Treffens in ESTEC im November, war die Zusammenstellung und Koordination der Experiment-Voraus­setzungen der unterschiedlichen beteiligten wissenschaftlichen Gruppen.

After the decision in 2002 that IMPF ("International Microgravity Plasma Facility") will be combined with the ICAPS ("Interactions in Cosmic and Atmospheric Particle Systems") facility, the name IMPACT ("International Microgravity Plasma, Aerosol and Cosmic Dust Twin" Laboratory) was chosen for this joint project at an ESTEC meeting in February 2003. During this meeting the two science communities met for the first time and informed each other about their science programmes. Possibilities for future collaborations were discussed. The merging into a single facility on board the ISS, using a common infrastructure for both experiment inserts, leads to a large cost reduction which enhances the chances for a realization of these projects significantly. In a phase B study, financed by ESA and started in October 2003, our industrial partner, Kayser-Threde, accompanied by a Facility Science Team, investigates the design and the realization of IMPACT on board the ISS. The goal of a further meeting at ESTEC in November 2003, the so-called (Concurrent Design Facility) CDF-meeting, was to collect and coordinate the experiment requirements of the various participating research groups as input for this study. After this phase B, to be finished in the middle of 2004, ESA will decide about the future of IMPACT.

Neben der Durchführung von ersten grundlegenden Experimenten wurde die Entwicklung des Magnetsystems und der experimentunterstützenden Einrichtungen im Hoch-Feldlabor weitergeführt. Es wurde eine geeignete Experimenthalterungs-Struktur konstruiert, welche es ermöglicht, eine Plasmakammer, mit all der ihr zugeordneten Diagnostik und Manipulationsmöglichkeiten, über eine Rechnerkontrolle in ihrer Position entlang der Magnetachse zu verschieben. Zusätzlich kann die Kammer auch relativ zur Magnetachse gedreht werden. Zusammen mit einer neuen, speziell für dieses Magnetsystem angepassten Plasmakammer, ist auch ein weiterer Teil zur ferngesteuerten Manipulation der Orientierung der Plasmakammer in Konstruktion gegangen. Im Zusammenspiel mit der bereits gefertigten Experimenthalterungs-Struktur wird es möglich sein, nicht nur die Kammer entlang der Magnetachse zu bewegen, um zwischen homogenen und stark inhomogenen Magnetfeldumgebungen zu wählen, sondern auch die Orientierung der Plasmakammer relativ zum Gravitationsvektor für jede gewünschte Magnetfeldorientierung frei einzustellen.

Concurrent with the first basic experiments the development of the magnet system and the experiment supporting devices was continued for the High-Field Laboratory. The construction of an appropriate experiment rack structure was implemented, which allows the experimenter to move the plasma chamber, with all its dedicated diagnostics and manipulation devices, computer controlled to any desired position along the magnetic axis. Additionally, the chamber can be rotated relative to the magnetic axis. Together with the new plasma chamber, specially designed for the large magnetic field system, another part for the remote-controlled manipulation of the orientation of the plasma chamber went into construction. In combination with the, already manufactured, experiment supporting device it will be possible to move the chamber not only along the magnetic axis to choose between homogenous and inhomogeneous magnetic field environments but also to freely adjust the orientation of the plasma chamber relatively to the gravitational vector for any desired orientation of the magnetic field.

Die Plasmakammer für das Paramagnet-Labor wurde umkonfiguriert. Die neue Kammer beinhaltet eine große (18 cm im Durchmesser) wassergekühlte untere Elektrode und wahlweise eine obere Elektrode oder ein Fenster. Sie ist aus nichtmagnetischem Material gefertigt. Zusätzlich zu den magnetischen Hauptspulen wurden vier kleinere wassergekühlte Spulen eingebaut, zwei oberhalb der Kammer und zwei unterhalb. Die neuen Spulen können mit Gleich- oder Wechselstrom betrieben werden, und die magnetische Feldkonfiguration kann durch Umschalten der Spulen verändert werden. Eine neue RF-Leistungsversorgung mit einem Anpassungsnetzwerk wurde installiert. Ein Argon-Ionen-Laser wurde mit einem Galvanometer-Spiegel ausgestattet, um eine 2D Verschiebung mit Intensitätsvariation zu ermöglichen. Eine Videokamera mit Blickfeld von oben wurde auf einem in drei Achsen computerkontrollierten Verschiebetisch montiert.

The discharge chamber for the Paramagnetic Laboratory was redesigned. The new chamber features a large (18 cm in diameter) water cooled lower electrode and a choice of an upper electrode or a top window. It is made of nonmagnetic materials. In addition to the main magnet coils, four smaller water-cooled magnet coils were installed, two above the chamber and two below. The new coils can be powered by AC or DC and the magnetic field configuration can be changed by switching the coils. A new RF power supply with a matching network was installed. An argon ion laser was equipped with galvanometer scanning mirrors to provide a 2D scan with intensity modulation. A top view video camera was mounted on a 3D computer controlled translation stage.

Die Laborarbeiten am Adaptive Elektroden Projekt (AE) wurden mehrgleisig durchgeführt. Die Charakterisierung der Plasmaeigenschaften der neuen Kammer wurde mit Spektroskopie und Langmuir-Sonden weitergeführt. Die wissenschaftliche Untersuchung und die theoretische Simulation für die DC und RF Kontrolle von Pixelelektroden im Gleichgewicht wurden vervollständigt. Eine hohe RF erzeugt Divergenzen und zusätzliche Ionisation in der AE-Randschicht, was durch im Plasma gewachsene Nanopartikel sichtbar gemacht werden kann. Experimente mit isolierten AE’s haben die Anwendbarkeit für einen weiten Bereich dielektrischer Materialen bestätigt. Eine Anzahl von Gleichgewichtspositionen für wenige Partikel kann erreicht werden durch den Feinabgleich von DC und RF auf einem einzelnen Pixel, wobei die benachbarte Randschicht kontrolliert wird. Dies ermöglicht die Erzeugung von 3-D Clustern. Zusammengefasst ermöglichen die speziellen einzigartigen Eigenschaften der adaptiven Elektrode neue Teilchen- und Plasmakontroll-Mechanismen für die Grundlagenforschung und Anwendung. Wir haben die AE in elektronegativen Entladungen eingesetzt. Die vorgeladene Randschicht wurde simuliert und die Levitationskraft der Partikel wurde in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten berechnet.

The laboratory work on the project Adaptive Electrode (AE) has proceeded along several lines. The characterisation of the plasma properties of the new chamber has continued using spectroscopy and Langmuir probes. The scientific assessment and the theoretical modelling have been completed both for DC and RF control of Pixel(s) electrodes in the steady state. A high level of RF introduces divergences and extra ionisation in the AE sheath that can be visualised by plasma-grown nanoparticles. Experiments with insulated AE have confirmed the applicability to a large range of dielectrics materials. A variety of equilibrium positions for small particle clusters can be achieved by fine balancing of DC and RF on a single pixel and by controlling the neighbouring sheath. This allows the study of three-dimensional clusters. In summary, the specific and unique properties of the adaptive electrode system provide new possibilities for particle and plasma control for fundamental research and application. We have applied the AE in electronegative discharges. The biased sheath has been simulated, the levitation force of the particles has been calculated and is found to be in good agreement with the experimental data.

Der Aufbau für PAGE (PArticle Growth Experiment) im Diamant-Labor, ausgestattet mit einem Elektronen-Temperatur-Kontroll- und Heizungssystem für das Wachstum von Diamantteilchen, wurde installiert und fortwährend verbessert. Die Keimbildung und das Wachstum von kohlenstoffhaltigen Teilchen wurden erfolgreich gezeigt und eine Reihe von Parameterstudien wurde durchgeführt. Bis jetzt wurde die Apparatur bis zu einer Arbeitstemperatur von 800 K getestet. Eine Erweiterung auf 1200 K ist derzeit in Entwicklung. Das Schweben von bis zu 10 µm großen Teilchen konnte durch die thermophoretische Kraft erreicht werden. Auch konnten wir kürzlich die Bildung von neuen Partikeln auf der Oberfläche von Diamant-(Keim)-Teilchen (mittlere Größe von ~2.8 µm) in einem H2/CH4 Plasma beobachten. Die Größe der neuen Partikel nach 8 Stunden Plasmabehandlung bei 800 K liegt bei bis zu 100 nm.

The PAGE (PArticle Growth Experiment) setup in the Diamond Laboratory, including an electron temperature control and heating system for diamond particle growth, was installed and continuously improved. Nucleation and growth of carbonaceous particles was successfully demonstrated and a number of parameter studies were conducted. So far, the device was tested up to operating temperatures of 800 K. An extension up to 1200 K is presently under development. Levitation of particles up to a few 10 µm in size by the thermophoretic force was demonstrated. Recently we observed nucleation of new particles on the surface of diamond seed particles (average size ~2.8 µm) in H2/CH4 plasmas. The size of the new particles after 8 hours plasma exposure at 800 K is up to 100 nm.

Das GEC-Labor besteht aus zwei GEC-RF-Reference Plasmakammern, die für die Durchführung von Experimenten der Grundlagenphysik auf dem Gebiet der komplexen Plasmen entworfen wurden. Im letzten Jahr wurde eine hochauflösende Hochleistungs-Digitalvideoaufzeichnungs-Diagnostik installiert. Diese Megapixel-Videos werden mit 30 Bildern pro Sekunde direkt auf der Festplatte gespeichert, wobei die Speicherzeit nur durch den vorhandenen Festplattenspeicher limitiert ist. Diese einmalige Eigenschaft erlaubte Langzeitserien (bis zu 28000 Bildern) von Plasmakristall-Clustern mittlerer Größe (~100 Teilchen) aufzunehmen. Die Langzeitserien ermöglichten sowohl die statistische Untersuchung der Teilchendiffusion über einen langen Zeitraum, als auch die Untersuchung der Gültigkeit der Ergodenhypothese bei stark gekoppelten komplexen Plasmen.

The GEC-Laboratory consists of two GEC-RF-Reference plasma chambers designed for conducting fundamental science experiments in the field of complex plasmas. During the last year, a high-resolution, high-capacity digital video capture diagnostic has been installed. These mega-pixel cameras capture images directly onto a hard disk at 30 frames per second. The capture duration is only limited by the available hard disk space. This unique ability has been utilized to study very long time-series (up to 28000 frames) of medium sized (~100 particles) plasma crystal clusters. These long time series have facilitated the statistical study of particle diffusion over a large time period, as well as statistical investigations on the validity of the ergodic hypothesis for strongly coupled complex plasmas.

Zusätzlich wurden erste Untersuchungen eines speziellen Manipulators, des so genannten "Torsionsoszillators", durchgeführt. Er wurde zur Messung der Scherviskosität in Plasmakristall-Clustern entworfen. Der Torsionsoszillator besteht aus einem hohlen zylindrischem Glas, das an einem dünnen Draht befestigt ist. Die Rotationsbewegung des Oszillators wird optisch aufgenommen. Die angeregten Rotationen des Oszillators werden über Neutralgasreibung an das Cluster übertragen und die Impedanz, hervorgerufen durch die Scherviskosität der Partikelwolke, koppelt zurück auf die Rotationsmessungen. Weitere Tests mit diesem einzigartigen Werkzeug sind in Vorbereitung.

Additionally, initial studies were conducted of a special device called "torsion oscillator". It is designed to measure the shear viscosity of plasma crystal clusters. The torsion oscillator consists of a short hollow cylindrical glass supported by a thin wire. The rotational movement of the oscillator is picked up optically. Driven rotations of the oscillator are coupled to the dust cluster via neutral gas friction and the impedance, due to the shear viscosity of the particle cloud, feeds back to the rotational measurements. Further tests, using this unique device are in preparation.

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 German Aerospace Center DLR.

MPE Jahresbericht 2003 / MPE Annual Report 2003


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