Forschungsarbeit

Entschlüsselung der ns-Plasmaphysik von Streamern in Wasser

Die Spektren werden durch das Schwarzkörperkontinuum von der heißen Wolframoberfläche und Linienemissionen der Wasserstoff-Balmer-Reihe dominiert. Für die Wolframoberfläche werden typische Temperaturen von 6000K bis 8000K erreicht, was der Siedetemperatur von Wolfram bei unterschiedlichen Wolfram-Dampfdrücken entspricht. Die Analyse des Zündvorgangs und der damit einhergehenden spektralen Merkmale weisen darauf hin, dass das Plasma durch Feldionisation von Wassermolekülen an der Elektrodenoberfläche initiiert wird. Am Ende des Pulses kann es zur Feldemission von Elektronen kommen. Während des Plasmapulses wird postuliert, dass sich das Plasma lokal an der Elektrodenoberfläche zusammenzieht und einen Hot Spot bildet. Dies verursacht einen charakteristischen Beitrag zur Kontinuumsemission bei kleinen Wellenlängen. Die Spektren zeigen auch ausgeprägte Emissionslinien der Wasserstoff-Balmer-Reihe.

Nanosekundenplasmen in Flüssigkeiten sind eine wichtige Methode zur Auslösung der Wasserchemie für die Elektrolyse oder für biomedizinische Anwendungen in der Plasmamedizin. Für das Verständnis dieser chemischen Prozesse ist es wichtig, die Variation der Temperaturen in diesen dynamischen Plasmen zu kennen. Dies wird durch die Beobachtung von Nanosekunden-gepulsten Plasmen analysiert, die durch Hochspannungen (HV) bei 20 kV und Pulslängen von 15 ns erzeugt werden, die an eine Wolframspitze mit 50 Mikrometer Durchmesser angelegt werden, die in Wasser eingetaucht ist. Die Plasmaemission wird mittels optischer Emissionsspektroskopie (OES) im Bereich von UV-Wellenlängen von 250nm bis zu sichtbaren Wellenlängen von 850nm bei einer hohen zeitlichen Auflösung von 2 ns analysiert.

Die Plasmastrahlung wird mit Hilfe der optischen Emissionsspektroskopie analysiert.

Die Daten deuten auf zwei Beiträge der Wasserstofflinienstrahlung hin, die sich hinsichtlich des Grades der Selbstabsorption unterscheiden. Es wird postuliert, dass ein Beitrag aus einer Rekombinationsregion mit starker Selbstabsorption und ein Beitrag aus einer Ionisationsregion mit sehr geringer Selbstabsorption stammt. Die Emissionslinien aus der Ionisationsregion werden unter der Annahme einer Stark-Verbreiterung ausgewertet, was Elektronendichten bis zu 5 x 10^25 m^-3 ergibt. Die Entwicklung der Elektronendichte folgt dem gleichen Trend wie die zeitliche Entwicklung der an der Wolframspitze angelegten Spannung. Der Ausbreitungsmechanismus des Plasmas ähnelt dem eines positiven Streamers in der Gasphase, obwohl in der flüssigen Phase Feldeffekte wie der Elektronentransport durch Tunneln eine wichtige Rolle spielen sollten.

Auffallend ist, dass die Elektronendichte der an der Elektrode angelegten Spannung während der steigenden und fallenden Flanke des Pulses eng folgt. In Nanosekundenplasmen in Gasen bei Atmosphärendruck weisen Spannung und Strom normalerweise eine Verzögerung auf, wobei die Spannung zuerst ansteigt, gefolgt vom Strom aufgrund des verzögerten Aufbaus der Elektronendichte in der Ionisationslawine. Während der Plasmaausbreitung in der Flüssigkeit ist die Dichte der Spezies jedoch um drei Größenordnungen höher, so dass der Aufbau der Ladungen im Vergleich zur Änderung der Spannung viel schneller erfolgen dürfte. Das Gleiche gilt auch für die Rekombination, die bei diesen Dichten Zeitkonstanten in der Größenordnung von ps aufweisen sollte. Die tatsächliche Elektronendichte ist dann ein Gleichgewicht zwischen der Erzeugung von freien Elektronen in den hohen elektrischen Feldern und deren Verlust durch Rekombination. Dies ist konsistent mit der Beobachtung, dass die Elektronendichte auch der Abnahme der Spannung mit einer Zeitkonstante von 8 ns folgt. Der Zerfall der Elektronendichte ist kein freier Zerfall aufgrund von Rekombination, sondern folgt einem abnehmenden Gleichgewichtswert als Konkurrenz zwischen Ionisation und Rekombination.