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)