Mi. 11:30-13:00 Uhr, V 32.01 (Vorlesung)
Übungen nach Vereinbarung (s. Aushang)

Unter "Plasma" versteht man ein Gas, das ionisiert ist. Abweichungen vom Ladungs-trägergleichgewicht kommen im allgemeinen nur in einer Dimension vor, die klein ist gegenüber dem insgesamt eingenommenen Volumen. Die Mischung aus Neutralteilchen, Ionen und Elektronen ist also von außen gesehen neutral (Quasi-Neutralität). Plasmen existieren in einer überaus großen Vielfalt von Erscheinungsformen. Die Beispiele reichen von der irdischen Ionosphäre über die Flamme einer Kerze, die Glimmentladung einer Neon-Röhre bis zum thermonuklearen Fusionsplasma. Für die Raumfahrt von Bedeutung ist das Plasma, das sich bei Eintritt eines Raumfahrzeuges in die Atmosphäre eines Himmelskörpers in Oberflächennähe des Fahrzeugs ausbildet und das es in Bodentestanlagen, in Plasmawindkanälen und Stoßkanälen zu simulieren gilt (siehe hierzu die Vorlesung Wiedereintrittsprobleme von Raumflugsystemen).

Ferner gewinnen die sogenannten Plasmaantriebe für Satelliten und Raumsonden zunehmend an Bedeutung (siehe hierzu die Vorlesung Elektrische Raumfahrtantriebe).

Ein Plasma kann im wesentlichen durch die Temperaturen und Dichten der Plasmakomponenten und deren Energieverteilungen charakterisiert werden. Für die Raumfahrtanwendungen sind zusätzlich von Bedeutung die Plasmageschwindigkeit, die spezifische Enthalpie, statischer Druck und dynamischer Druck und der Wärmefluß auf einen Probenköper. Aufgabe der Plasmadiagnostik ist die Messung dieser Größen. Entsprechend der Vielfalt der Erscheinungsformen eines Plasmas, bei denen sich die Plasmaparameter um viele Größenordnungen unterscheiden können, gibt es auch eine Vielfalt von experimentellen Methoden, die prinzipiell zur Verfügung stehen. Es wird bei der Behandlung der verschiedenen Meßprinzipien versucht, die jeder Methode eigenen Vor- und Nachteile aufzuzeigen und auf Probleme und mögliche Fehlerquellen hinzuweisen.

Zu Beginn der Vorlesung wird zunächst auf die Grundlagen der Meßtechnik eingegangen. Neben der Erläuterung allgemeiner Begriffe und einer kurzen Darstellung der Fehlerrechnung liegt in diesem Kapitel ein Schwerpunkt auf der Beschreibung der für den Experimentator heutzutage in vielen Fällen praktisch unentbehrlich gewordenen Oszilloskope, Speicheroszilloskope bzw. Transientenrecorder und den verschiedenen Methoden der Analog/Digital-Wandlung.

Im Weiteren werden Verfahren zur Druck-, Wärmefluß- und Enthalpiemessung in Plasmen erläutert. Damit zusammenhängend werden vorab die allgemeinen Methoden zur Bestimmung von niedrigen Drücken, von Temperaturen und Massenströmen erläutert. Ein Schwerpunkt bildet hierbei die Temperaturmessung mit Thermoelementen, da diese Methode am Institut für Raumfahrtsysteme in großen Umfang angewendet wird.

Danach werden "elektrostatische Sonden" behandelt, die speziell für die Untersuchung von Plasmen entwickelt wurden. Sie nutzen in fast allen Anwendungsfällen die Abhängigkeit des Ionen- bzw. Elektronenstromes, der auf eine dem Plasma ausgesetzte Metallelektrode "fließt", von der an diese Sonde angelegten Spannung. Im Gegensatz zu anderen Meßverfahren ist allerdings eine, im Einzelfall relativ komplexe Theorie erforderlich um aus dieser Strom-Spannungs-Charakteristik die gewünschten Plasmaparameter wie z.B. Elektronentemperatur und -dichte zu errechnen. Der apparative Aufwand ist dagegen vergleichsweise gering.

Eine für die Diagnostik in thermischen Plasmen bisher nur relativ selten eingesetzte Methode ist die " Massenspektrometrie". Mit ihrer Hilfe ist es, im Gegensatz zu anderen "Sondenmeßverfahren", die oft nur makroskopischen Größen wie Druck, Dichte oder Temperatur erfassen, möglich, die Zusammensetzung des Plasmas, d.h. die Anteile an z.B. Stickstoff, Sauerstoff oder Argon zu bestimmen. Neben der Analyse von Neutralteilchen können auch die verschiedenen Ionen nachgewiesen werden. Einige Geräte gestatten sogar die Ermittlung der Ionenenergieverteilung, woraus unter bestimmten Umständen auf die Temperatur dieser Teilchen geschlossen werden kann. Als nachteilig für die Anwendung der Massenspektrometrie muß hingegen der recht hohe instrumentelle und damit finanzielle Aufwand gesehen werden sowie die Tatsache, daß, aufgrund der hohen Empfindlichkeit des Geräts, eine geringe Änderung der Umgebungsbedingungen die Meßwerte beträchtlich verfälschen kann, was die Auswertung und Vergleiche mit anderen Messungen mitunter stark erschwert.

Während die bis dahin behandelten Meßmethoden im weitesten Sinne als Sondenmeßverfahren bezeichnet werden können, also als Meßverfahren bei denen geeignet aufgebaute Sensoren in das zu analysierende Plasma eingebracht werden, werden dann unter der Überschrift "Berührungslose Verfahren" verschiedene berührungslose, in der Praxis fast ausschließlich optische Meßtechniken behandelt. Diese lassen sich grundsätzlich in passive und aktive Meßverfahren einteilen, und unterscheiden sich darin, daß die passiven Verfahren lediglich die vom Plasma selbst emittierte Strahlung zur Analyse heranziehen, während die aktiven die Plasmateilchen auf verschiedene Weise zur Strahlungsemission anregen, um durch Auswertung dieser induzierten Strahlung bestimmte Plasmaparameter zu bestimmen.

Zur ersten Gruppe zählen z.B. die " Emissionsspektroskopie", die "Pyrometrie" und die prinzipiell damit verwandte Radiometrie, sowie die "Fabry-Perot-Interferometrie", während die unterschiedlichen laserspektroskopischen Verfahren wie die "laserinduzierte Fluoreszenz" zur zweiten Gruppe zählen.

Über weitere, nicht am IRS angewendete Verfahren zur "optischen Strömungsmessung" wird eine Übersicht gegeben. Die Verfahren dieser Kategorie eignen sich nur bedingt für die Analyse thermischer Plasmen, wenngleich beispielsweise über die Anwendung der Laser-Doppler-Anemometrie in der Literatur schon mehrfach berichtet wurde. Eine weitere nicht-intrusive Diagnostiktechnik ist die Mikrowelleninterferometrie. Mit ihr können über die Phasenverschiebung der das Plasma durchdringenden Mikrowellen Elektronendichten speziell in Plasmen hoher Ladungsträgerdichten gemessen werden. Die Technik ist unabhängig von den Ionen im Plasma. Sie wird vor allem in Bereichen eingesetzt, wo elektrostatische Sonden aufgrund der zu hohen Ladungsträgerdichten nicht verwendet werden können.

Den Abschluß der Vorlesung bildet ein kurzes Kapitel über Schubmessverfahren bei elektrischen Triebwerken. Obgleich die Schubmessung sicher kein typisches plasmadiagnostisches Meßverfahren im eigentlichen Sinne ist, stellt sie im Grunde eine integrale Druckmessung dar und liefert als solche, ebenso wie die Verfahren mit mechanischen Sonden, Informationen über makroskopische Zustandsgrößen des betrachteten Plasmas.

• Online-Vorlesung, erstellt im Rahmen von self-study online
• Vorlesungsskripte sind für Studierende via WWW erhältlich. Benutzername und Kennwort können in der Vorlesung bei den Dozenten erfragt werden.