Gerhard Himmel

Axial variation of line emission from surface wave sustained discharges

The intensities of ArI emission lines 750.4 and 811.5 nm and of H (hydrogen appearing as a small admixture to the discharge in Ar) were measured along the column of a stationary, surface wave sustained plasma. Simultaneously, electron densities along the discharge were determined, probing the spatial phase characteristics of test surface waves. Using test waves of different frequencies, the evaluation of electron densities was based on the dispersion relation, which connects densities with axial wavenumbers of the m = 0 mode. The emitted line intensities plotted against the electron density, particularly those of H and the 750.4 nm line, reveal that the discharge economizes on dissipated RF power in fulfilling the local energy and particle balance. A theoretical model of the diffusion dominated plasma confirms the conclusion drawn from the spectroscopically observed trends. According to this model, the lowering of the RF field intensities is correlated with the transition from ground-state excitation/ionization (prevailing at low electron densities) to additional, less power consumptive, stepwise excitation/ionization, which is enabled due to enlarged densities of metastables.

Modulation Instabilities of Surface-Wave Sustained Discharges

It has been shown recently [1, 2] that surface wave sustained discharges (SWSDs) are sensitive to perturbations of the applied signal power P and of the gas pressure p. Such disturbances could blow up in excitation of instabilities in the discharge. In the first case a development of modulation instability [1] has been observed whereas in the second case the discharge self—organizes itself in an unstable filamentary structure [2]. Experiments concerning the first case and directed to determining conditions which lead to development of modulation instabilities in SWSDs are reported here.

Nonlinear mode competition between unstable drift waves in an rf heated ring discharge

The nonlinear wave-wave interaction between unstable drift modes of different wave numbers existing in an rf heated, magnetized plasma is studied experimentally by means of capacitive probe measurements during the evolution of the discharge towards steady state. The results are compared with theoretical calculations. Special interest is attached to the unstable growth of multiple modes arising out of the noise level, where strong suppressive interaction between different modes is observed, finally leading to a single mode spectrum.

Experimental verification of the low-frequency drift instability in a magnetized ring discharge

The two-dimensional radial and azimuthal electron temperature and density distributions in a magnetized ring discharge (B = 100 - 190 mT, P(He) = 3 - 6 Pa, are obtained from measured intensity ratios of the HeI lines 447.15 nm, 471.31 nm, 492.19 nm and 587.56 nm, using a calibrated ICCD camera system. Dynamical plasma emission imaging (DPEI) represents a new diagnostic tool for studying not only the stationary parameters but also the electron temperature and density oscillations induced by a coherent low-frequency instability. The phase shift between temperature and density oscillations, as well as the radial profiles of the oscillation amplitudes, may be determined. These features characterize a prominent type of drift instability arising in an inductively coupled rf discharge with an axial magnetic field superimposed where the radial electron temperature and density gradients are in opposite directions. Numerical simulations recurring to the measured plasma densities and temperatures help to clarify the anomalous transport leading to a degradation of plasma confinement.

Drift wave stabilization by means of a specific magnetic field inhomogeneity

The controlled deformation of magnetic field lines in a magnetized rf ring discharge in helium is used to stabilize self-excited drift waves driven by gradients of the plasma density and the electron temperature. The observed effects of the inhomogeneity are described theoretically by an extension of an existing drift wave model in terms of the lowest-order nonlinear interaction between the waves and the magnetic field inhomogeneity.

Justierung und Eichung der Anlage

Die zu untersuchende Plasmaschicht wird zunachst im Masstab 1:1 auf das horizontal verschiebbare Ende eines Lichtleiters abgebildet. Die Eintrittsflache ist, um eine gute raumliche Auflosung zu gewahrleisten, auf ein Kreisscheibchen von 2 mm Durchmesser beschrankt. Das andere Ende des Lichtleiters wird auf dem Eingangsspalt des Spektrometers abgebildet. Nun wird der beschriebene Bichromatoransatz mit den beiden Multipliern an den Ausgangsspalt montiert. Durch eine Vorjustierung ist die Trennschicht bereits im Rahmen der Mesgenauigkeit parallel zum Spalt eingestellt. Anstelle der Zahlelektronik sind der Einfachheit halber zunachst zwei Gleichstromverstarker und ein x-y1-y2-Schreiber (mit der x-Achse als Zeitbasis) an die Multiplier angeschlossen. Bei fest eingestelltem Lichtleiter wird das Spektrometer dann durchgefahren und die Intensitat in den beiden Kanalen durch den synchron laufenden Schreiber registriert. Durch Widerholung dieses Vorgangs mit anschliesender Nachjustierung des Lichtleiters kann schlieslich sichergestellt werden, das bei richtiger Einstellung des Spektrometers die beiden Linien ohne Uberlappung an die Multiplier weitergeleitet werden konnen.

Durchführung der Messungen

Die Durchfuhrung der Messungen erfolgte bei vier verschiedenen molekularen Ausgangsmischungsverhaltnissen (D2H2 = 4; 1,5; 0,66; 0,25), deren Zusammensetzung massenspektrometrisch uberpruft war.

Theorie der Starkverbreiterung

Dieser Abschnitt behandelt einige grundlegende Gesichtspunkte, die bei der Interpretation der Mesergebnisse eine Rolle spielen.

Bedeutung der Starkverbreiterung für die Diagnostik von Laborplasmen

Die Vermessung der Starkverbreiterung von Wasserstoff- bzw. Heliumlinien mit dem Zweck, die Elektronendichte daraus zu bestimmen, ist eine haufig angewandte plasmadiagnostische Methode. Sie zeichnet sich aus durch ihre Zuverlassigkeit und durch den geringen Aufwand. Das leuchtende Atom ubernimmt dabei die Funktion einer Sonde fur das Mikrofeld der Plasmateilchen. Diese Sonde kommt im Gegensatz zu technischen Sonden dem Idealfall einer Sonde sehr nahe hinsichtlich ihrer extrem kleinen geometrischen Abmessungen und der geringen Storungen, die sie auf das umgebende Plasma ausubt.

Untersuchung der Balmerlinien

Die Untersuchungen wurden an einem Entladungsrohr vom Typ I (s. Abschnitt E) durchgefuhrt. Fig. 2 zeigt schematisch die benutzte Mesanordnung. Das von der Plasmaballung in AchSenrichtung emittierte Licht wurde auf den Eintrittsspalt eines 2 m-Spektrographen (Jenaoptik, PGS 2) gegeben. In der Plattenebene war ein Prazisionsspalt beweglich angebracht, so das der Spektrograph die Funktion eines Monochromators hoher spektraler Auflosung erfullte. Das Signal des hinter dem Austrittsspalt aufgestellten Photomultipliers (EMJ 6256S) wurde von einem phasenempfindlichen Verstarker verstarkt und von einem Kompensationsschreiber aufgezeichnet. Der phasenempfindliche Verstarker erhielt sein Referenzsignal von einer Unterbrecherscheibe, die vor den Eintrittsspalt in den Strahlengang gebracht worden war. Die Blenden der Unterbrecherscheibe trugen Spiegel, die das Licht in den Dunkelperioden durch ein Interferenzfilter einem zweiten Photomultiplier (RCA 1P28) zufuhrten. Mit dieser Anordnung war es moglich, die Gesamtintensitat der jeweils eingestellten Wasserstofflinie uber langere Meszeiten zu kontrollieren, wobei das zur Stabilitatskontrolle benutzte Licht aus dem gleichen Plasmavolumen stammte wie das analysierte Licht. Zur fiberprufung der Linearitat der photoelektrischen Nachweiseinrichtung diente ein System aus drei Polarisatoren als Transmissionsstandard. Die Durchlasachsen der auseren Polarisatoren waren parallel zueinander ausgerichtet, der mittlere Polarisator konnte in der Fassung gedreht werden und gestattete definierte Abschwachungen der Intensitat um Faktoren 1 – 103. In der beschriebenen Aufstellung wurde der storende Einflus der partiellen Polarisation des Lichtes durch die optischen Elemente vor und hinter dem Abschwacher weitgehend eliminiert (Methode von BENNET27). Die Vermessung der Strahlungsempfindlichkeit in Einheiten von A/Watt der Apparatur erfolgte fur den interessierenden Wellenlangenbereich mit Hilfe einer geeichten Wolframbandlampe.