Projekt B7 - Nanosekunden-Plasmen
Extreme Bedingungen in Plasmen in Flüssigkeiten
Nanosekundenplasmen in Flüssigkeiten spielen eine wichtige Rolle im Bereich der Dekontamination, Elektrolyse oder Plasmamedizin. Das Verständnis dieser sehr dynamischen Plasmen erfordert Informationen über die zeitliche Variation von Speziesdichten und Temperaturen. Dies wird durch die Beobachtung von Nanosekundenplasmen analysiert, die durch Hochspannungen (HV) zwischen 14 kV und 26 kV und Pulslängen von 10 ns erzeugt werden, die an eine in Wasser eingetauchte Wolframspitze mit 50 µm Durchmesser angelegt werden. Die Zündung des Plasmas bewirkt die Bildung einer Kavitationsblase, die mit Hilfe der Schattengrafie überwacht wird, um die Dynamik der erzeugten Blase und die Schallgeschwindigkeit der emittierten akustischen Wellen in der Umgebung dieser Wolframspitze zu messen.
Die zeitliche Entwicklung der Blasengröße wird mit der Kavitationstheorie verglichen und ergibt eine gute Übereinstimmung für einen anfänglichen Blasenradius von 25 µm mit einem Anfangsdruck von GPa bei einer Temperatur von 1200 K für eine Hochspannung von 18 kV. Daraus ergibt sich eine Anfangsenergie im Bereich von einigen 10-5 J, die mit der angelegten Hochspannung variiert. Die dissipierte Energie des Plasmas treibt die adiabatische Ausdehnung des Wasserdampfs innerhalb der Blase vom anfänglichen überkritischen Zustand in einen Zustand mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur bei maximaler Blasenausdehnung, die Werte von 10^3 Pa bzw. 50 K erreicht. Diese Vorhersagen aus der Kavitationstheorie werden durch die optische Emissionsspektroskopie (OES) untermauert. Nach dem Zünden des Nanosekunden-Plasmas oszilliert die elektrische Leistung in der Zuleitung zwischen HV-Pulser und Plasmakammer mit einer Abklingzeit in der Größenordnung von 60 ns. Diese reflektierten Pulse zünden das Plasma innerhalb der expandierenden Blase periodisch neu. Breitbandige Emission aufgrund von Rekombination und Bremsstrahlung wird innerhalb der ersten 100 ns sichtbar. Zu späteren Zeiten dominiert die Linienemission. Die Starke Verbreiterung der Spektrallinien von H_alpha (656 nm) und OI (777 nm) wird ausgewertet, um sowohl die Elektronendichte als auch die Elektronentemperatur in diesen wiedergezündeten Plasmen zu bestimmen.
