Stabmagnet bringt Chaos ins Plasma

  • 18. August 2017

.... und Mathematik Klarheit über diesen Vorgang.

Veränderungen von Plasmen durch externe Magnetfelder sind nichts Neues. Tech­no­logisch macht man sie sich schon lange zu Nutzen, und die hübschen optischen Effekte, die mit ihnen einhergehen, erfreuen nicht nur Physiker rund um den Erdball. Nun hat jedoch eine Gruppe von Wissen­schaftlern am Saha Institute of Nuclear Physics die be­ob­achte­ten Phäno­mene mit Metho­den der Nicht­linearen Dynamik unter­sucht und heraus­gefunden, dass bei Er­hö­hung der Magnet­feldstärke im Plasma der Über­gang vom geord­neten in einen chao­tischen Zu­stand über den Pro­zess einer peri­oden-­ver­dop­peln­den Bifur­kation abläuft.

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Abb.: Bereits im chaotischen Zustand: von einem 28 Gauß starken externen Magnetfeld hervorgerufener Feuerball im Argon-Plasma. (Bild: Shaw et al./AIP Publishing)

„Stabmagneten kamen ja schon oft in Plasma­experimenten zum Einsatz, wurden dann aber meist direkt im Plasma platziert“ erklärt Pankaj Kumar Shaw, Erstautor einer ent­sprech­enden Ver­öffentlichung in Physics of Plasmas. „Unser Aufbau mit einem Mag­neten außerhalb der Plasma­kammer erlaubt jedoch eine Variation der Feld­stärken allein durch Verän­derung der Magnet­position“, hebt er gleich eine Beson­derheit seines Experi­ments hervor.

Das untersuchte Argon-Plasma erzeugten die Wissenschaftler mit Hilfe einer zylindrische Kathode von 20 Zentimeter Durch­messer und einer draht­förmigen Anode in deren Achse. Durch Ver­än­derung des Abstands eines externen, mit dem Nord­pol zur Anord­nung hin gerichteten Stab­magnetes wurde die Feld­stärke an einer Stelle der Kathode von 0 bis 28 Gauß variiert.

Die zunächst homogene Verteilung des Plasma­leuchtens veränderte sich ab einer Feld­stärke von ca. 2 Gauß: ein mit weiter steigender Feld­stärke größer und heller werd­en­der Feuer­ball war zu beobachten.

Mit einer Langmuir-Sonde wurden an dieser Stelle die gängigen Plasma­parameter, wie Elektronen- und Ionen­temperatur sowie Plasma­dichte, in Abhängigkeit von der Mag­net­feld­stärke bestimmt. Darüber hinaus untersuchten Shaw und Kollegen aber auch die Fluk­tuationen im Floating-Potential – also dem Potential, auf das sich ins Plasma eingebrachte Gegen­stände von selbst aufladen. Die Fluk­tu­atio­nen zeigten eine perioden-­verdoppelnde Bifur­kation bis zu der Magnet­feld­stärke, bei der sich erstmals der Feuer­ball bildete. Dort schlug die Dynamik in einen chaotischen Zustand um.

„Übergänge zu Turbulenzen und Chaos in Plasmen wurden schon häufiger untersucht,“ stellt Shaw fest, „dieser perioden-­verdoppelnde Weg ins Chaos überrascht jedoch – insbesondere da dieser Übergang in einem doch sehr kleinen Bereich der Magnet­feld­änderungen stattfindet“.

Das neu gewonnene Wissen über die Ursache von Plasma­instabilitäten kann zum Beispiel zur Erklärung magne­tischer Anomalien in der Wech­sel­wirkung zwischen Sonnen­wind und Mond­oberfläche beitragen aber auch zum besseren Ver­ständ­nis tech­nischer, zur Behand­lung von Ober­flächen eingesetzten Plasmen beitragen.

AIP / LK

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