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Dissertationspreis der Fakultät für Physik und Astronomie für Dr. Katharina Grosse (Projekt B7)

Die Erzeugung von Plasmen in Flüssigkeiten ist für Anwendungen wie die Elektrolyse, Wasserreinigung oder Medizin wichtig, eröffnet aber auch eine Reihe von sehr grundlegenden Fragen. Diese Plasmen werden durch kurze Spannungspulse im Bereich von vielen Kilovolt und wenigen Nanosekunden Dauer erzeugt, die an einer in Wasser untergetauchten Wolframspitze angelegt werden. Um das Verständnis der Zündung dieser Plasmen herrscht eine rege Debatte, da die Elektronenvervielfältigung bei der Plasmazündung entweder innerhalb kleiner Nanovoids, kleinen Frakturen im Wasser, oder als Elektronenlawine im Wasser selbst postuliert wird. In beiden Fällen spielt Feldemission an Grenzflächen oder Feldionisation von Wassermolekülen eine entscheidende Rolle. Frau Dr. Grosse hat die ganze Dynamik diese Plasmen von der Zündung bis zum Afterglow mittels zeitlich aufgelöster Emissionsspektroskopie untersucht und mit Modellierungen der Emission und der Flüssigkeitsdynamik verglichen. Dabei zeigte sie, dass das breite Kontinuum durch Schwarzkörperstrahlung erzeugt wird, die mit einer Temperatur von 7000 K genau der Temperatur von kochendem Wolfram entspricht. Aus der Starkverbreiterung der Balmerlinien der Wasserstoffatome lassen sich Elektronendichten von mehreren 10²⁵ m^-3 ableiten. Weiterhin beobachtet man eine starke Selbstabsorption von Licht aus der Region des Plasmakanals während das Licht von der laufenden Ionisationsfront keine Selbstabsorption zeigt. Daraus lässt sich ableiten, dass das Plasma direkt durch Wasser läuft und nicht innerhalb von Nanovoids gebildet wird. Damit dominiert Feldemission und Feldionisation. Nach diesem ersten Plasmapuls, führt die hohe Leistungsdichte zu dem Phasenübergang von Wasser zu Wasserdampf und Bläschenbildung innerhalb der ersten Mikrosekunde. Der hohe Druck im Bereich von GPa bewirkt eine Ausdehnung des Kavitationsbläschens und die Erzeugung einer Schallwelle, die sich in der Flüssigkeit ausbreitet. Dies konnte mittels Schattenaufnahmen direkt beobachtet werden. Insbesondere erreicht die Schallgeschwindigkeit mehrere 1000 Meter pro Sekunde, was auf den sehr hohen Druck zu Beginn der Entladung hindeutet. Auf der Basis dieser Messung hat Frau Dr. Grosse das Verständnis dieser Plasmen sehr wesentlich erweitert.