Tuning of the interaction potential in complex plasmas

par Lisa Wörner

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Laïfa Boufendi et de Gregor Eugen Morfill.

Le président du jury était Hartmut Zohm.

Le jury était composé de Laïfa Boufendi, Gregor Eugen Morfill, Hartmut Zohm, Harald Weinfurter, Hartmut Ruhl.

  • Titre traduit

    Modulation du potentiel d’Interaction


  • Résumé

    A côté des solides, des liquides et des gaz, le plasma est le quatrième état de la matière. Il est généré en ionisant un gaz. Dans l’univers, 99% de la matière est à l’état de plasma. L’émergence de plusieurs types de plasmas artificiels est due aux multiples et différentes applications, très intéressantes les unes que les autres, des plasmas dans des secteurs aussi variés que l’industrie, l’énergie, le biomédical et la science. Très souvent, des particules solides peuvent se former dans les plasmas. Ceci a tout particulièrement été observé dans ceux utilisés dans l’industrie. La compréhension des mécanismes de leur nucléation et croissance est d’une importance capitale en vue de trouver des solutions pour inhiber leur formation ou d’éviter qu’elles ne se déposent sur les surfaces en cours de traitement. L’objectif du travail de recherche entrant dans le cadre de cette thèse est l’étude de la formation de particules dans un plasma généré par décharge électrique continue. Il a été observé que ce phénomène dépend du flux de gaz neutre injecté dans l’enceinte du réacteur. Nous avons mis en évidence que la fréquence de formation est liée à ce paramètre. Les observations enregistrées à l’aide d’un spectroscope sont complétées et corrélées aux photographies obtenues par microscopie électronique à balayage. L’injection de particules dans le plasma plutôt que de procéder à les faire croitre présente certains avantages. On peut contrôler leur taille y compris du cas de mélanges de particules. On tout particulièrement injecter des particules ayant des tailles beaucoup plus importantes que celles que l’on forme sur des gammes de durées raisonnables des plasmas utilisés. Plusieurs expériences réalisées avec des particules injectées ont mis en exergue le caractère pluridisciplinaire du milieu plasma. Afin de comprendre les interactions mutuelles entre particules il est crucial de déterminer la charge portée par les particules. Plusieurs expériences réalisées au cours de cette thèse et présentées ici ont porté sur la détermination de ce paramètre fondamental. Dans ce cadre une série d’expérience a été réalisée à bord de la Station Spatiale Internationale (ISS) dans le but de déterminer la charge résiduelle des particules dans la phase de post-décharge. Dans la dernière partie, seront présentées et discutées des expériences portant sur l’observation de la rotation de clusters de particules soumis à un confinement supplémentaire. On montre que les particules tendent à former des alignements verticaux dus au faible champ qui se forme en aval de chaque particule. Enfin, les connaissances acquises sur les possibilités de moduler le potentiel d’interaction par l’intermédiaire d’un champ électrique seront discutées. Les résultats sont comparés aux prédictions des simulations.


  • Résumé

    Plasmas are next to the solid, liquid and gaseous phase the fourth state of matter. It is established by ionizing a gas. About 99% of the visible matter in the universe is in the state of plasma. The industrial, medical and scientific benefits of plasmas led to a variety of artificially produced plasmas. In plasmas dust particles can grow. Especially in industrial plasmas particle formation in the plasma gas phase is very common. The fundamental understanding of the growth is of vital importance in order to suppress undesired particle formation or to deposit particles and films in a certain region. In terms of this thesis the particle growth in a direct current (DC) discharge by using acetylene will be discussed. It has been observed that the particle growth depends on the neutral gas flow fed into the plasma chamber. Depending on the applied flow different growth frequencies and transport phenomena are shown. The observations recorded by a spectrometer will then be complimented by pictures from the particles taken by a scanning electron microscope. Introducing artificial particles into a plasma rather than growing them there yields several advantages. The particle sizes can be controlled, including the possibility of particle mixtures. Furthermore, particles with bigger diameter can be introduced than what can be grown on reasonable time scales in a plasma. Several possible experiments with injected particles underline the interdisciplinary character of the plasma environment. To understand the inter particle interactions the particle charge is a crucial parameter. In this thesis several experiments determining the particle charge will be discussed. In this frame the experiments on board of the International Space Station have been performed to measure the residual charge in the particle afterglow. In the last section experiments on particle cluster rotation as observed in an additional confinement will be discussed. It will be shown that the particles tend to form vertical strings due to the wake field that forms downstream of each particle. Finally the insight gained on the possibilities of tuning of the interaction potential by electric fields will be discussed. The results are then compared to the predictions of earlier simulations.


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