wahlobligatorische vorlesung sommersemester...
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Wahlobligatorische Vorlesung Sommersemester 2007
Einführung in die Plasmaphysik
Prof. Dr. Ronald RedmerUniversität RostockInstitut für Physik
AG Statistische Physik
InhaltsangabePlasmaparameter
und Beispiele
•
Einführung in die Plasmaphysik: Überblick•
Einführung in die Licht-Materie-WW: Streuprozesse
•
Compton-
und Thomson-StreuungPlasma als (ideales) Fermi-Gas•
Abschirmung und Mott-Effekt
•
Stoßwellenexperimente und Zustandsgleichung•
Quanten-Molekulardynamik-Simulationen
Transportprozesse in Plasmen•
Boltzmann-Gleichung
•
Transportkoeffizienten: Elektrische LeitfähigkeitAstrophysikalische Plasmen•
Sonnenplasma und Strahlungstransport
•
Planetologie: Große Planeten, Exoplaneten
Virtuelles
Institut VH-VI-104 Plasma Physics Research Using FEL Radiation gefördert
durch
die Helmholtz-
Gemeinschaft;AGs Redmer, Röpke; Meiwes
kooptiert
DESY Hamburg (T. Tschentscher: Free Electron Laser)FSU Jena (Prof. E. Förster: Röntgendiagnostik)
Homepage: www.mpg.uni-rostock.de/vhvi104/
Wissenschaftlicher Hintergrund
Sonderforschungsbereich 652 Starke Korrelationen und kollektive Phänomene im Strahlungsfeld: Coulomb-Systeme, Cluster und Partikel gefördert durch die DFG;AGs Henneberger, Meiwes, Redmer, Röpke, Stolz, Vogel
Homepage: www.physik.uni-rostock.de/sfb/
1. Überblick Plasmaphysik in Deutschland
FLASH
IPPMPQ
FZJ
IPP, INP
GSI
IOQ JenaMPIKS
Magnetfusion: W7X,Technische Plasmen
Magnetfusion: ASDEX-U,Quantenoptik, as-Physik
XFEL, Dichte Plasmen,Komplexe Plasmen
Magnetfusion: Textor,Technische Plasmen,Laser-
u. NGG-Plasmen
Heavy Ion Beams: FAIRTechnische Plasmen
Laser-Plasmen,Komplexe Plasmen
(Auswahl)
Koordinierte Forschungsprojekte:•
SFB 591 „Gleichgewichtsferne Plasmen“(Bochum, Jülich, Düsseldorf, Duisburg-Essen, Wuppertal)
•
SFB 652 „Starke Korrelationen im Strahlungsfeld“(Rostock, Greifswald)
•
SFB-TR 18 „Relativistische Laser-Plasma Dynamik“ (Düsseldorf, Berlin, Garching, Jena, München)
•
SFB-TR 24 „Grundlagen komplexer Plasmen“(Greifswald, Kiel)
•
Exzellenz-Initiative „Materials in New Light“
(Berlin) •
Exzellenz-Initiative „Light and Matter“
(Hamburg)
•
Exzellenz-Initiative „Advanced
Photonics“
(München) •
Center for
XFEL Sciences Hamburg (CFEL) in Gründung !
WW Plasma (Materie) mit Strahlungsfeldern bei relativistischen Intensitäten (>1019
W/cm2)
mit ultrakurzen
Pulsen (fs
bis as), mit hoher Peak-Brillanz
bei kurzen Wellenlängen (VUV, Röntgen) → hohe Energiedichten
Plasmaphysik weltweit (Auswahl)
UK & IrlandRAL, AWE,
Oxford, London, York, Belfast
FranceLULI, LIXAM,CELIA, CEA,
PIIM
USA & CanadaLLNL, LANL, SNL, ANL, ORNL, MIT, Princeton, Rochester, Edmonton
RussiaKurtchatov
Inst. Moskau,
ICP Chernogolovka,HEDP & ITEP Moscow,
Sarov, Troitsk
JapanNaka, Nagoya, Osaka
ChinaChengdu (ASDEX)
PALS PragGoLP
Lissabon
Weizmann
Inst.
… getrieben durch nationale (Verteidigungs-) Programme … ambitionierte nationale Fusionsprogramme (NIF, LMJ)… Zukunftsoption für Forschung bei DESY und der GSI
NIF
LMJ ITER
Plasmaparameter•
Plasma: Vielteilchensystem
aus geladenen Teilchen
•
Elektronen: me
=m, qe
=-e, Ionen: mi
=M, qi
=+Ze, Ne
=ZNi•
Kopplungsparameter für das Ionensystem: Landau-Länge ℓ
und mittlerer Teilchenabstand dc
•
Entartungsparameter für das Elektronensystem: Fermi-Energie
EF
•
Dichteparameter rs
und thermische Wellenlänge λc
:
•
Stark korrelierte Plasmen (Korrelationseffekte): Γ>1•
Entartete Plasmen (Quanteneffekte): Θ<1
1/32
0
( ) 3 , , , 4 4
cc c
i B c
NZe d nd k T n Vπε π
⎛ ⎞Γ = = = =⎜ ⎟
⎝ ⎠
( )2 2/32 , = 3
2B
F eF
k T E nE m
πΘ =
1/ 22 202
4 2 , , es B c
B c B
dr aa me m k T
πε πλ⎛ ⎞
= = = ⎜ ⎟⎝ ⎠
Dichte-Temperatur-Ebene: Strongly
Coupled
Plasmas (SCP)
Warm Dense
Matter (WDM)
Coupling
Γ=ℓ/d , Degeneracy
Θ=kB
T/EF
SCPWDM
Typical
Pressures 1 bar = 105
Pa, 1 Mbar
= 100 GPa = 100 kJ/cm3
Cosmic
background
radiation 10-20
barUHV in laboratory 10-16
bar
Atmosphere
at sea
level 1 barMoon center 50 kbarEarth center 3,6 MbarJupiter center 50 MbarSun center 100 GbarRed Giants 1015
bar
White Dwarfs 1018
barNeutron stars 1029
bar
Strongly
Coupled
Plasmas
– High Energy Density
Physics
Experimentelle Methoden zur Erzeugung von SCP/WDM
Stoßwellen (Shock
Waves: us
» cs
) generiert mitGas Guns
(ballistic
compressors)
High Energy Lasers (kJ-MJ pulse energy
in ns)Ultrashort-Pulse
Lasers (fs-as
pulses)
Rapid Wire
Evaporation, Z PinchesHigh Explosives
Energiedeposition
durchRelativistic
Particle
Beams
(e, p, heavy
ions)
Brillant X-Ray
Sources
(FELs)
Astrophysics: Planetary
Interiors
T. Guillot, Science 286, 72 (1999)
Simplest
Model: Three
Layers
Interior
of Jupiter: P-, T-, ρ-Profiles
10-3
10-2
10-1
1
10
102
103
104
0 2 4 6 8 10Radius [RE]
P [G
Pa]
, T
[K] ,
ρ [g
/cm
3 ]
pressure
temperature
density
FVTSesame
SC95 ppt
N. Nettelmann, W. Lorenzen, U Rostock
0 5000 10000 15000 20000Temperatur T [K]
101
102
103
Dru
ck p
[G
Pa]
SBT
RRN
RK
ER
MCPB
MH
BEF
Sch
mel
zdru
ckli
nie
SC
FVT+
B. Holst (H), A. Kietzmann (He), U Rostock
10 100 1000 10000temperature [K]
10-6
10-4
10-2
100
102
pres
sure
[G
Pa]
Ross 1983Robnik 1983PPT FVT
+
PPT Saumon et al. 1995
melting lin
ePPT
triple point
critical point
gas
liqui
d
solid
metal
Phase Diagram of H and He at High Pressure:Plasma Phase Transition
(PPT)?
Water at High Pressure: „Hot Ice“
in Uranus and Neptune
Cavazzoni
et al., Science 283, 44 (1999)
• Uranus, Neptune: 56% H2O, 36% CH4, 8% NH3
• “hot ice” mixture contributes to magnetic field measurements by Voyager 2 spacecraft
• Due to high ionic conductivity from completely ionized H2O
EOS data?Metallization?Proton conduction?M. French, U Rostock
2. Streuprozesse der Licht-Materie-WW
E=hν=ħω, c=λν, k=2π/λ=ω/c, p=ħk=E/c
See www.lbl.gov/MicroWorlds/ALSTool/EMSpec/
Plancksche Strahlungsformel
0
( ) ( , )U T V u T dω ω∞
= ∫
( )3
2 3
1( , )exp / 1B
u Tc k Tωω
π ω=
−
G.F. Smoot
and J.C. Mather, Nobel Prize
2006
Licht-Materie-WW
schematisch
See http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase
•
WW mit Atomhülle:→ Rayleigh-Streuung (kohärent): I(λ) ~ λ-4
→ Raman-Streuung: inelastische
WW mit rot-vib
Moden→ Mie-Streuung
an Partikeln
•
Photoionisation:
A + hν → A+ + e-
•
Äußerer Photoeffekt:
Ekin
= hν-W, W: Austrittsarbeit•
Innerer Photoeffekt:
WW mit Elektronen aus K-
und L-Schale
→ Rekombination
äußerer Elektronen mit „Loch“→ Photon kann erneut absorbiert werden: Auger-Elektronen
•
WW von Photonen im Feld oder mit Atomkernen:→ Bremsstrahlung eines Elektrons im Feld einer Ladung→ Paarbildung hν → e+
+ e-
für E ≥
1.022 MeV
→ Kernphotoeffekt für E »
1 MeV: 12C(γ,n)11C, 208Pb(γ,p)207Tl•
Inkohärente
Streuung an freien Elektronen:
Compton-Effekt
→ ∆λ = λ`-λ
= 2λC
sin2(α/2) , λC = h/mc
= 2.426·10-12
m
→ Prozess wichtig für Diagnostik dichter Plasmen mit λ≤nm
Streuprozesse Atomhülle schematisch
continuumstates
(LE)boundstates
edgecontinuum
Energy
ν
ν
ν
ν
ν
h h
h
h h
h
(PI)
ν
(RR)
(BS)
(LA)
(IB)
BS: C. FortmannLE: B. Omar (Spectral
Line Shape)