Ultra schnelle und empfindliche Messung der Elektronendichte mittels THz time domain Spektroskopie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt hatte zum Ziel die Terahertz-Time-Domain-Spektroskopie (THz-TDS) als Methode der Plasmadiagnostik weiterzuentwickeln. Die Methode ist grundsätzlich verwandt mit der klassischen Mikrowelleninterferometrie. Jedoch werden hier THz-Pulse von sehr kurzer Dauer von nur einigen ps verwendet. Damit verbunden ist zum einen eine hohe zeitliche Auflösung und zum anderen eine Messung innerhalb eines breiten Frequenzbandes. Weiterhin wird hier direkt die zeitliche Entwicklung des elektrischen Feldes gemessen, d.h. Bestimmung von Amplitude und Phase des Feldes. Die kurze Pulsdauer macht die Methode unempfindlich gegen mechanische Schwingungen, eines der zentralen Probleme der klassischen Interferometrie. Zudem erlaubt das breite Frequenzspektrum eine Anpassung der Dispersionsrelation über einen weiten spektralen Bereich, was ebenfalls Probleme der Eindeutigkeit bei der klassischen Interferometrie beseitigt. Ausgangspunkt der Arbeiten war ein kommerzielles THz-System, welches aber in wesentlichen Punkte modifiziert werden musste. Insbesondere wurden sowohl die Emitterantenne ausgetauscht als auch das gesamte Detektionsprinzip auf elektrooptische Detektion umgestellt. Der Einsatz eines modernen Lock-In-Verstärkers und der darin integrierten Dual-Frequency-Multichannel-Boxcar-Option (DFMB) erlaubt eine variable Zeitauflösung bis hin zu 100 − 200 ps. Parallel zu den experimentellen Arbeiten wurden die theoretischen Grundlagen entwickelt. Die neue Diagnostik wird zunächst zur Bestimmung der Plasmadichte in stationären Edelgasentladungen (He, Ne, Ar, Kr, Xe) und als auch gepulsten Ar- und Ne-Entladungen in einer magnetischen Multi-Cusp-Entladungskammer demonstriert. Benchmark- Tests, in dem die THz-TDS mit der klassischen Mikrowelleninterferometrie verglichen wird, zeigen sehr gute Übereinstimmung. Schließlich erlaubt die Methode erstmalig zeitaufgelöste Messungen der Elektronendichte im magnetischen Einschlussbereich einer HiPIMS-Entladung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Measurement of plasma densities by dual frequency multichannel boxcar THz time domain spectroscopy. Journal of Physics D: Applied Physics, 50(24), 245202.
Meier, St M; Tsankov, Ts V; Luggenhölscher, D & Czarnetzki, U
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First measurements of the temporal evolution of the plasma density in HiPIMS discharges using THz time domain spectroscopy. Plasma Sources Science and Technology, 27(3), 035006.
Meier, Steffen M; Hecimovic, Ante; Tsankov, Tsanko V; Luggenhölscher, Dirk & Czarnetzki, Uwe
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Plasmadichtebestimmung mittels Dual-Frequency-Multichannel-Boxcar-THz-Time-Domain-Spektroskopie. Diss. RUB, 2018
Meier, Steffen Marius
