Akustische Emission von Plasma (PLACE)

• Antragsteller: Dr.-Ing. Mate Gaal; Professor Dr. Holger Kersten
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Akustik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 507789452

Atmosphärendruck-Plasma wird in verschiedenen Industriebereichen angewendet, beispielweise für die Aktivierung und Reinigung von Oberflächen, für Ionisierung und Oberflächenbeschichtung. Allerdings ist die akustische Emission von Plasma weitestgehend unerforscht. Aufgrund ihres Potentials, breitbandig und resonanzfrei Schall und Ultraschall zu erzeugen, ist sie sehr interessant sowohl für mögliche Anwendungen in Plasmadiagnostik als auch als eine neuartige akustische Quelle. In diesem Vorhaben soll das Grundlagenwissen über akustische Emission von Plasma erarbeitet und mit Hinblick auf mögliche Anwendungen ausgebaut werden. Zwei Ziele werden von den Projektpartnern gemeinsam verfolgt. Das erste ist, ein Verfahren zur akustischen Plasmadiagnostik zu entwickeln, wobei aus dem gemessenen akustischen Signal Rückschlusse auf die Eigenschaften von Plasma gezogen werden. Das zweite Ziel ist es, einen plasmabasierten Schallwandler zur Erzeugung von Schallimpulsen zu entwickeln. Es werden akustische Sender basierend auf Mikrohohlkathoden und dielektrisch gehemmten Oberflächenentladungen vor allem im Ultraschallbereich untersucht. Die beiden Entladungstypen werden auf ihre Eignung für Plasmadiagnostik und für akustische Wandler geprüft. Zu den experimentellen Arbeiten soll eine umfassende theoretische Beschreibung der Schallwandlung mit Hilfe eines Plasmas im Frequenzbereich bis ungefähr 1 MHz erarbeitet werden. Bei der plasmabasierten Schallemission wird die Temperatur des Plasmas geändert und eine elektrohydrodynamische Kraft erzeugt. Diese beiden Effekte werden als Druckmodulation an das umgebende Fluid abgegeben, die dort eine Schallwelle erzeugt. Sowohl für Plasmadiagnostik als auch für plasmabasierte Wandler ist es notwendig, verschiedene Einflussgrößen zu untersuchen: die geometrischen Parameter, die Parameter der elektrischen Ansteuerung und den Einfluss der Zusammensetzung des Arbeitsgases. Zu diesem Zweck werden Prototypen in verschiedenen Ausführungen realisiert. Die Schalldruckverteilung der akustischen Sender wird mit Verwendung von Ultraschallmikrofonen und mit Laservibrometrie im Frequenzbereich bis 1 MHz vermessen. Um einen fundierten Vergleich zwischen den theoretischen und experimentellen Ergebnissen zu ermöglichen, wird numerische Simulation eingesetzt. Dabei werden verschiedene numerische Modelle und Methoden der Akustik und Plasmaphysik verknüpft. Die Projektergebnisse werden in die Anwendungen in den Bereichen Plasmadiagnostik und akustische Sensorik einfließen. Mit dem neu erworbenen Wissen über akustische Emission von Plasma wird berührungslose und zeitaufgelöste Plasmadiagnostik mit einfacher Laborausrüstung möglich. Breitbandige Ultraschallsender und -empfänger können den Einsatzgebiet der berührungslosen Materialprüfung deutlich erweitern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen