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Phase Transitions in Three-Dimensional Complex Plasma

Phasenübergänge in dreidimensionalen komplexen Plasmen

Steinmüller, Benjamin


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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-138187
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2018/13818/

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Freie Schlagwörter (Deutsch): komplexes Plasma , staubiges Plasma , Phasenübergang , Kristallisation , Entmischung
Freie Schlagwörter (Englisch): complex plasma , dusty plasma , phase transition , crystallization , demixing
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: I. Physikalisches Institut
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 01.11.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 14.11.2018
Kurzfassung auf Englisch: This cumulative dissertation discusses the experimental observation and description of crystallization and demixing processes in a three-dimensional complex plasma. Complex plasmas are low temperature plasmas to which well-defined microparticles have been added deliberately. These particles are charged by electron and ion fluxes toward their surfaces. Charged particles can then create regular structures similar to a crystal or arrange comparable to fluids. The typical size and time ranges in a complex plasma allow for observations of changes in form of distinct phases on a single-particle level. This is why they are often used as model systems for phase transitions.
In the first publication, the influence of neutral gas pressure on the crystallization of a three-dimensional complex plasma under gravity conditions was considered. The ´scalar product of the Minkowski structure metric´ was developed in this publication to identify the particles´ state of aggregation. Besides this method, various well-known crystallization criteria were applied. All criteria revealed the same picture: the system was in the crystalline state at low pressure and in the liquid state at high pressure. This stands in contrast with previous experiments under gravity as well as under microgravity conditions. The increasing role of collisions between ions and neutrals in the vicinity of the particles as well as a decreased Debye length were identified as responsible for this observation.
The second publication is a logical extension of the first one. In this publication, the scalar product of the Minkowski structure metric was applied to visualize the location of the particles in the solid state and in the liquid state at different pressure rates. Hereby, it could be shown additionally that the degree of crystallization was decreasing from the lower to the upper part of the particle cloud.
After the first two publications, the detailed conditions under which complex plasmas are highly ordered were determined. This knowledge facilitated the third publication. In this publication, the crystallization process of a complex plasma under gravity conditions was analyzed in a time-resolved manner. During crystallization, tomographic scans were performed to identify the evolution of solid clusters. The calculated fractal dimension of these clusters showed that the solidification process was dominated by epitaxial growth and diffusion-limited growth.
The fourth publication deals with the demixing of two particle types in a complex plasma. Due to the mass discrepancies, the particles would levitate at different heights in the plasma under gravity conditions. This is why the experiments were performed under milligravity during a parabola flight. The transition from a single phase into a two-phase system was observed and described.
Kurzfassung auf Deutsch: Das Thema dieser kumulativen Dissertation ist die experimentelle Beobachtung und die Beschreibung der Kristallisation und der Entmischung von dreidimensionalen komplexen Plasmen. Komplexe Plasmen sind Niedertemperaturplasmen, in denen genau definierte Mikropartikel hinzugefügt wurden. Die Partikel laden sich durch Elektronen- und Ionenflüsse auf ihre Oberfläche elektrisch auf. Aufgrund ihrer Ladung können die Teilchen regelmäßige Strukturen vergleichbar mit Kristallen ausbilden. Eine Ordnung analog zu Fluiden ist ebenfalls möglich. Die typische Größen- und Zeitskalen in einem komplexen Plasma, erlauben es Übergänge zwischen unterschiedlichen Phasen auf einer Partikelebene direkt zu beobachten. Aus diesem Grund werden sie oft als Modellsysteme für Phasenübergänge genutzt.
In der ersten Veröffentlichung wird der Einfluss des Gasdruckes auf die Kristallisation eines dreidimensionalen komplexen Plasmas unter Gravitation untersucht. Das "Skalarprodukt der Minkowski Struktur Metrik" wurde hier entwickelt, um den Aggregatzustand in dem sich die Partikel befinden zu bestimmen. Daneben wurden zahlreiche weitere bekannte Kristallisationskriterien eingesetzt. Alle Kriterien zeigten das gleiche Bild: Bei niedrigem Druck war das System im kristallinen, bei hohem Druck im flüssigem Zustand. Das steht im Gegensatz zu bisherigen Experimenten sowohl unter Gravitation als auch unter Mikrogravitation. Als Grund für diese Beobachtung wurden die zunehmende Bedeutung von Stößen zwischen Ionen und Neutralgas in der direkten Umgebung der Partikel sowie eine verringerte Debye Länge identifiziert.
Die zweite Veröffentlichung ist eine logische Erweiterung der Ersten. In dieser Publikation wird bei unterschiedlichen Gasdrücken das Skalarprodukt der Minkowski Struktur Metrik genutzt, um den Ort der Partikel, die sich im festen bzw. im flüssigen Zustand befinden, zu visualisieren. Hierdurch konnte zusätzlich gezeigt werden, dass der Kristallisationsgrad der Partikelwolke von unten nach oben abnimmt.
In den ersten beiden Veröffentlichungen wurden die genauen Bedingungen, unter denen sich ein komplexes Plasma in einem kristallinen Zustand befindet, bestimmt. Dieses Wissen erlaubte die dritte Publikation, in der der Kristallisationsvorgang eines komplexen Plasmas unter Gravitation zeitaufgelöst analysiert wurde. Während des Kristallizationsprozesses wurden tomographische Scans durchgeführt, um die Entwicklung fester Domänen zu identifizieren. Die berechnete fraktale Dimension dieser Domänen ergab, dass der Erstarrvorgang durch epitaktisches Wachstum und diffusions begrenztes Wachstum dominiert wurde.
Die vierte Publikation handelt von dem Entmischen zweier Partikelsorten innerhalb eines komplexen Plasmas. Unter Gravitation würden die Partikelsorten aufgrund der Massendifferenzen in unterschiedlichen Höhen innerhalb des Plasmas levitieren. Aus diesem Grund wurden die Experimente unter Milligravitation während eines Parabelfluges durchgeführt. Der Übergang zwischen einem Ein-Phasen zu einem Zwei-Phasen System konnte beobachtet und beschrieben werden.
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