Stabmagnet bringt Chaos ins Plasma
.... 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.
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
