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Experimentelle Entwicklung und Projekte / Experimental Development and Projects

5. Interdisciplinary Plasma Science	5. Interdisciplinary Plasma Science
CIPS	CIPS
Zum 1. Januar 2000 wurde das "Centre for Interdisciplinary Plasma Science" (CIPS) als Forschungseinrichtung des Max Planck Instituts für exraterrestrische Physik und des Max Planck Instituts für Plasmaphysik gegründet. Bestimmte Bereiche der plasmaphysikalischen Forschung (Theorie und Komplexe Plasmen) und der Analyse (Statistische und Komplexe Systeme) beider Institute werden hier zusammengefasst. Das CIPS wird seitens der MPG mit ca. 8 Mio. DM für die Aufbauphase der ersten 5 Jahre unterstützt. Das CIPS wird von Prof. Morfill (MPE) und Prof. Dose (IPP) gemeinsam geleitet.	On January 1st 2000 the "Centre for Interdisciplinary Plasma Science" (CIPS) was founded as a joint research activity of the Max Planck Institut für extraterrestrische Physik and the Max Planck Institut für Plasmaphysik. In this centre, certain areas of plasma physics research (theory and complex plasmas) and analysis (statistical and complex techniques) are brought together for mutual benefit and synergy. CIPS is financed by the Max-Planck-Gesellschaft during the start-up phase of 5 years by an amount of approximately 8 Mio. DM. CIPS is directed jointly by Prof. Morfill (MPE) and Prof. Dose (IPP).
Im ersten Jahr des Bestehens des CIPS wurde viel geleistet. Ein echtes "Zentrum" mit 37 Büroräumen, Vortragsraum, Handbibliothek und einem großen zentralen Diskussionsbereich wurde fertiggestellt, Labors für stark magnetisierte komplexe Plasmen und für paramagnetische komplexe Plasmen wurden vorbereitet, 36 Seminare und 10 CIPS-Kolloquiumsvorträge wurden gehalten und die Planung gemeinsamer Forschungsvorhaben (z.B. Niedrigtemperatur-Plasmaexperimente mit Teilchenwachstum, Analyse von ELM's in Tokamakdaten, Untersuchung astrophysikalischer und magnetosphärischer Plasmen) wurde vorangetrieben und präzisiert. Zwei gemeinsame Patente wurden eingereicht, 39 wissenschaftliche Arbeiten wurden veröffentlicht (natürlich die meisten noch aus der vor-CIPS Zeit, und - last but not least - das erste große Weltraumexperiment, das Plasmakristall-Experiment (PKE), wurde fertiggestellt.	A proper "centre" with 37 offices, lecture room, library and a large open discussion space was completed, the laboratories for strongly magnetised complex plasma research and for paramagnetic complex plasma studies were prepared, 36 seminars and 10 CIPS colloquia were given, and plans were drawn up for a number of joint research projects (e.g. low temperature reactive plasma experiments including particle growth, analysis of ELM's in tokamak data, investigations of astrophysical and magnetospheric plasmas). Two joint patents were submitted, 39 scientific papers were published (of course mostly from the pre-CIPS era) and - last but not least - the first large Space Station experiment (PKE) was completed.
Im nächsten Jahr (2001) werden die Labors ihren Betrieb aufnehmen, die Daten des PKE (ca. 5 Terabyte) werden die Erforschung komplexer Plasmen unter Schwerelosigkeit in eine neue Dimension bringen, und die Komplementarität in der Datenanalyse komplexer Systeme wird hoffentlich erste gemeinsame Ergebnisse vorweisen können.	Next year (2001) the laboratories will become operational, approximately 5 Terabyte of PKE data will create a milestone for complex plasma science under microgravity conditions, and the complementary approaches in the data analysis of complex systems will, hopefully, also show first results.
Plasmakristall-Experiment auf der ISS	Plasma Crystal Experiment on the ISS
Das Plasmakristall-Experiment, PKE, eine Zusammenarbeit des Institute for High Energy Densities (IHED) und unserem Institut, unterstützt von der russischen und deutschen Weltraumbehörde (RASA und DLR), ist eines der ersten naturwissenschaftlichen Experimente an Bord der internationalen Raumstation ISS. Die Erforschung von Plasmakristallen im Speziellen und komplexer Plasmen im Allgemeinen ist ein neues Themengebiet in der Mikrogravitations-Weltraumforschung.	The Plasma Crystal Experiment, PKE, a collaboration of the Institute for High Energy Densities (IHED) and our Institute supported by the Russian and German Space Agencies (RASA and DLR) is one of the first basic science experiments aboard the International Space Station ISS. The investigation of plasma crystals especially, and of complex plasmas generally, is a new topic in the research under microgravity conditions.
Reduziert man die Schwerkraft auf ca. 10-4g, arrangieren sich die in ein Plasma eingebrachten monodispersen Mikropartikel (Polymerpartikel von Mikrometer Größe) völlig anders als im Labor unter Schwerkraftbedingungen. Die dominierenden Kräfte sind hier die elektrostatische Wechselwirkung, die die negativ geladenen Partikel in Richtung Zentrum der Gasentladung zu bewegen versucht und die Reibungskraft der Ionenströmung, sowie die thermophoretische Kraft, die die Teilchen aus der Gasentladung hinausdrängen. Bei den bisher durchgeführten Experimenten unter µg-Bedingungen (Forschungsraketen und Parabelflüge) hat sich das Gleichgewicht so eingestellt, dass für die meisten untersuchten Experimentparameter im Zentrum der Gasentladung eine partikelfreie Zone entstand. Eine zweite Zone, bestehend aus Plasma und Mirkopartikeln, umhüllt die zentrale Zone in allen Richtungen.	Through reduction of gravity to about 10-4g the monodisperse microparticles (polymer particles of micrometer size) injected into a plasma order themselves differently from the gravity condition in the laboratory. The dominating forces here are the electrostatic interaction, which acts to move the negative particles towards the centre of the gas discharge, and the frictional force resulting from the ion flow, as well as the thermophoretic force which act to drag the particles out of the discharge. For the experiments performed so far under µg-condition is (sounding rockets and parabolic flights) the equilibriums adjusted in such a way that, for most of the experimental parameters, a particle-free void appeared in the centre of the discharge. A second zone, containing plasma and microparticles (the complex plasma) surrounds this central zone.
Nachdem sich unser wissenschaftliches Interesse auf ein komplexes Plasma (mit Mikropartikeln beladen) richtet, ist die partikelfreie Zone im Zentrum der Entladung nicht erwünscht. Sie gibt aber wertvolle Einblicke in die relative Bedeutung der oben erwähnten Wechselwirkungen, weil an der Grenzschicht zwischen dem natürlichen Plasma und dem komplexen Plasma ein Gleichgewicht herrscht. Außerdem eignet sich die "innere Oberfläche" für Grenzschichtstudien.	As our scientific interest is focussed on a complex plasma (loaded with microparticles) the particle-free void in the centre of the discharge is in principle undesired. However it provides a valuable insight into the relative importance of the interactions mentioned above, and it can be employed to investigate certain aspects of surface physics.
In den zurückliegenden Jahren war die Hauptaktivität auf Raumsonden mit µg Zeiten von 6 Minuten sowie auf Messungen in Parabelflügen mit µg Zeiten von 25 Sekunden konzentriert. Jetzt richtet sich das Hauptaugenmerk auf das erste Experiment auf der internationalen Raumstation, wo viele Stunden Messzeit verfügbar sein werden. Die im Labor beobachtbare Kristallisation der monodispersen Mikropartikel im Plasma beansprucht typischerweise 10 Minuten. Somit ist von den langen Messzeiten auf der Raumstation ein erheblicher wissenschaftlicher Fortschritt in der Erforschung komplexer Plasmen zu erhoffen.	The main activity in previous years was focussed on space probes with µg exposures of 6 minutes and on parabolic flights with µg exposures of 25 seconds. This year we concentrated on the first scientific experiment on the International Space Station, which will provide us for the first time with many hours of µg exposure. The crystallisation process with monodisperse particles in a plasma takes typically 10 minutes if observed in the laboratory. Consequently, the long exposure times on the space station will bring substantial progress in complex plasma research.
Das PKE Experiment besteht aus einer kleinen (0.5 l) Plasmakammer, in der ein HF- angeregtes Argonplasma erzeugt wird. In dieses Plasma werden monodisperse Mikropartikel von wahlweise 3,4 und 6,8 µm Durchmesser injiziert. Die Partikel sind durch einen Laserschnitt beleuchtet und werden mit zwei CCD Kameras unterschiedlicher Vergrößerung sichtbar gemacht.	The PKE experiment consists of a small (0.5 l) plasma chamber containing an rf-excited Argon plasma. Monodisperse particles with 3.4 and/or 6.8 µm diameter are injected into the plasma. The particles are illuminated by a laser cut and are observed using two CCD cameras with two different magnifications.
Gasdruck und HF-Leistung sind einstellbar. Die Plasmaparameter werden durch verschiedene Diagnoseeinrichtungen an den Entladungselektroden überwacht. Das zum Betrieb der Plasmakammer notwendige Vakuum wird durch eine Verbindung zum Weltraum erzeugt. Die Apparatur ist in einem Metallbehälter versiegelt, um die strengen Sicherheitsvorschriften auf der Raumstation zu erfüllen. Als Konsole für die Kosmonauten dient ein kleiner Computer, der sowohl den Experimentbetrieb wie den Betrieb von zwei Videorekordern für die oben erwähnten Kameras erleichtert. Hauptaufgabe dieses Rechners wäre aber der Echtzeitbetrieb des wissenschaftlichen Experimentes vom Boden aus (Telescience). Für die erste Messperiode ist der zur Telescience notwendige russische Relais-Satellit noch nicht verfügbar. Deshalb muss die erste Messperiode noch durch die Kosmonauten mittels vorprogrammierter Messprozeduren durchgeführt werden, bzw. kann auch manuell erfolgen, falls notwendig (Abb. III-20).	Gas pressure and rf- power can be varied. Plasma parameters are monitored by a set of sensors at the discharge electrodes. The vacuum necessary to run the plasma chamber is accomplished by venting into space. The complete apparatus is sealed in a metal container in order to comply with the safety regulations on the space station. A small computer serves as a console for the cosmonauts. This computer also handles two video recorders. The main purpose of this computer is to control the scientific experiment in real time from the control station on ground (telescience). For the first measurement series the Russian relais-satellite, necessary for telescience operation, will not yet be operative. Therefore, the first period of measurements will be handled by the cosmonauts on the basis of pre-programmed parameter sets and exposure times, or by manual control if desired (Fig. III-20).
Zwei komplette, baugleiche Einheiten bestehend jeweils aus dem Experiment und dem Telescience-Computer wurden gefertigt und den für die Weltraumstation erforderlichen Qualitätstests unterzogen. Die erste Einheit, das Trainingsmodell, diente dem Kosmonautentraining. Die zweite Einheit, das Flugmodell, wird voraussichtlich im Februar 2001 von Baikonur aus mit Progress III zur Raumstation transportiert. Beide Einheiten wurden in diesem Jahr an die russische Seite übergeben. Die erste und dritte Crew der Raumstation wurde in mehreren Treffen trainiert, sowohl in Garching als auch in Moskau, und auf den Betrieb der Apparatur vorbereitet (Abb. III-21). Die erste ständige Besatzung der ISS (Gidzenko, Krikalev und Shepherd) wird nach der aktuellen Planung die vorprogrammierten Basisexperimente durchführen und die bespielten Videobänder und digitalen Messdaten bei ihrer Rückkehr im Space Shuttle mitführen.	Two identical experiments each consisting of the experiment and the telescience unit have been built and given all necessary qualification tests. The first unit, the training model, was used for training of the cosmonauts. The second unit, the flight model, will be launched with Progress III from Baikonur in February 2001. Both units were handed over to the Russian side this year. The first and third crew of the space station were trained during meetings in Garching and Moscow, respectively (Fig. III-21). According to the actual planning the first permanent crew on ISS (Gidzenko, Krikalev and Shepherd) will be responsible for the first survey experiments. The videotapes will be brought back to Earth by the cosmonauts on their return with the space shuttle.
International Microgravity Plasma Facility (IMPF) - Vorentwicklung	International Microgravity Plasma Facility (IMPF) - Pre-development
Als PKE-Nachfolger auf der ISS ist ein Langzeit-Labor zur Erforschung komplexer Plasmen unter Schwerelosigkeit in internationaler Zusammenarbeit geplant, die International Microgravity Plasma Facility IMPF. Bei IMPF handelt es sich um eine Labor, das ein viel brei-teres Interessengebiet abdecken kann, als das deutsch-russische PKE Projekt. Mit Blick auf eine bestmögliche wissenschaftliche Definition arbeitet ein international besetztes Science Advisory Board. Um in den nächsten 10 Jahren ausreichende Flexibilität für die Plasmaforschung in einer µg-Umgebung zu haben, wird dieses Labor einen modularen Aufbau bekommen. Es ist geplant, die Facility in vier Subsysteme aufzugliedern, die als Einschübe in ein für die Weltraumstation standardisiertes Experimentrack eingebaut werden(Abb. III-22). Die vier Einschübe bestehen aus dem physikalischen Experiment, einem Vakuum- und Gassystem, einem System zur Kompression und Speicherung der Video- und Messdaten und einer Elektronik- und Hauptkontrolleinheit. Während der Laufzeit des Projekts sollen regelmäßig neue Experiment-Einschübe entwickelt und im Weltraum zum Einsatz gebracht werden. Nach den gegenwärtigen Plänen soll der erste Experimenteinschub wieder ein HF-angeregtes Plasma haben, allerdings mit einer nach den Erfahrungen von PKE wesentlich verbesserten Elektrodenkonfiguration, der Auswahl von bis zu sechs unterschiedlichen Mikropartikeldurchmessern, erheblich verbesserten Diagnoseeinrichtungen, sowie der Option Mikropartikel nicht nur in das Plasma zu injizieren, sondern auch wieder herauszuziehen. Die Manipulation von Mikropartikeln im Plasma durch Strahlungsdruck wird durch einen leistungsstarken Laser möglich sein. Der zweite Experimenteinschub, der nach einem halben Jahr nachgerüstet werden soll, wird die Möglichkeit für Experimente mit DC Plasmen bieten. Der dritte Experimenteinschub ist speziell der Untersuchung anwendungsorientierter Prozesse unter Schwerelosigkeit gewidmet, wie z. B. Coating und Oberflächenmodifizierung der Mikropartikel, sowie Koagulation und Dis-agglomeration.	As successor to PKE and for the next generation of complex plasma research under microgravity a long-term facility is planned on the ISS, the International Microgravity Plasma Facility IMPF. IMPF is a facility that can cover both basic and applied research and therefore services a much broader field of interest than the Russian-German PKE project. In order to design IMPF for "best science" an international Science Advisory Board was selected. To maintain adequate flexibility of the complex plasma research under microgravity for a period of about 10 years, the laboratory is designed in a modular way. It is planned to divide the facility into four subsystems, which can be installed as lockers into a standardised experimental rack on the ISS (Fig. III-22). The four lockers consist of the physical experiment, a vacuum and gas system, a system for compression and storage of the video and measurement data, and an electronic and master control unit. During the lifetime of the project new experimental units will be designed and brought to space at regular intervals. The first IMPF experiment locker will again contain an RF-excited plasma chamber. However, after the technical experience from PKE, it will have more sophisticated electrode configuration, better diagnostics, manipulation etc. For instance, the experimenter will have the choice of six rather than two particle sizes, and also superior means for optical diagnosis and measurement of plasma parameters. As a facility instrument the chamber needs the option for both injection and removal of dust. Furthermore the microparticles suspended in the plasma can be manipulated by radiation pressure using a powerful green laser. The experiment locker, planned to replace the RF plasma chamber after half a year, will then offer the possibility to do experiments with a DC excited plasma. The third experiment locker is devoted to investigations of application-oriented processes under microgravity, e.g. coating and surface modification of microparticles, as well as coagulation and disagglomeration.
Gemeinsam mit einer Industriefirma wurde Anfang dieses Jahres eine Vorstudie beendet, die zeigt, dass die gewünschte Plasma Facility innerhalb der auf der Raumstation vorgegebenen Rahmenbedingungen durchführbar ist. Seither finanziert das DLR eine Vorentwicklung auf Komponentenbasis. Wesentlicher Teil dieser Arbeit ist eine Plasmakammer mit vier separat ansteuerbaren Elektroden. Diese wurde vom MPE in einer Parabelflugkampagne im November auf ihre Schwerelosigkeitstauglichkeit untersucht. Im Ganzen fanden zwei Parabelflugkampagnen mit je drei Starts im Airbus A300 statt. Bei jeweils 30 Parabeln zu je 25 Sekunden summiert sich die µg- Zeit der zwei Kampagnen zu 1 Stunde und 15 Minuten. Die erste Kampagne wurde von der ESA finanziert und diente der Erprobung der oben erwähnten neuen IMPF-Kammer. Die zweite Kampagne war zu 50% vom DLR finanziert. Das Institut erprobte zwei neuartige kugelförmige Kammerkonzepte, das eine mit einer induktiven HF-Anregung des Plasmas, das andere mit einer kapazitiven HF-Anregung, wobei drei auf der Oberfläche befindliche Elektrodenpaare aus drei HF-Generatoren in einer Zufallssequenz angesteuert sind. Ziel dieser Untersuchungen ist eine möglichst kugelsymmetrische Plasmaanregung.	An industrial company in collaboration with the MPE presented a report verifying the feasibility of the described space-borne plasma facility. Since then DLR has financed predevelopment on a component basis. The first piece of hardware that this company has designed and built is a plasma chamber with four discharge electrodes, each driven by an individually adjustable RF amplitude. This chamber was tested by the MPE on parabolic flights in November. In total two parabolic flight campaigns, each with three flights with the Airbus A 300, have taken place. For 30 parabolas each with 25 sec duration per flight the total sum of the µg-time for the two campaigns was 1 h 15 min. The first campaign was financed by ESA and was devoted to the tests of the above-mentioned new IMPF-chamber. The second campaign was 50% financed by DLR. The Institute tested two novel spherical chamber concepts. The first used an inductive rf-excitation of the plasma, the second a capacitive coupling, where three pairs of electrodes were distributed on the surface and were driven randomly by three rf-generators in order to obtain the best possible spherical plasma excitation.
Adaptive Elektroden	Adaptive Electrodes
Die Kontrolle und Manipulation von Mikroteilchen in einem Niedertemperaturplasma kann mit einer sogenannten adaptiven Elektrode durchgeführt werden. Diese adaptive Elektrode wird aus mehreren separate, elektronisch ansteuerbaren Elektrodensegmenten aufgebaut. Dies ermöglicht lokale Modifikationen der Plasmarandschicht. Die physikalische Herausforderung dieser Forschung ist die Natur, die Größe und Zeitskala der Störung in einer im Wesentlichen unveränderten Plasmaumgebung zu erkunden. Eine Gleichstromspannung, die an einem Pixel angelegt wird, zieht einen Strom aus dem Plasma heraus und ändert so die lokale Bilanz der Ionen- und Elektronenflüsse, während eine HF- Spannung eine Gleichstromvorspannung verursacht, die jene Quantitäten unverändert lässt. Die Arbeit mit einem Prototyp hat bereits einige wichtige Resultate ergeben. Die Partikel lassen sich sehr gut zur Diagnostik der Plasmarandschicht benutzen, zum einen um die Störungen zu verfolgen, sowie als Hauptobjekte der Manipulation. Andere Anwendungen umfassen das Plasmaätzen und die Deposition.	The control and manipulation of microparticles in a low-temperature plasma can be obtained with a so-called adaptive electrode. This adaptive electrode consists of an array of single electrode segments each individually voltage controllable to produce local modifications in the plasma edge. The physical challenge of this research is to assess the nature, the dimensions and the time scale of the perturbation in a plasma environment that remains substantially unmodified. A DC voltage applied to one pixel will draw a net current out of the plasma, modifying the local balance of ions and electrons fluxes, while an RF voltage applied will induce a DC bias leaving those quantities unmodified. The work on a prototype has already shown several important results. Particles suspended over the sheath act as a powerful diagnostic to trace the extent of the perturbation, as well as being the main object of manipulation. Other applications include modulated etching depth and selective crystallisation in deposition.
Large Magnetic Field Facility (LMFF)	Large Magnetic Field Facility (LMFF)
Zur Untersuchung von stark gekoppelten, stark magnetisierten Plasmen (komplexen Plasmen unter dem Einfluss von starken Magnetfeldern) wurde ein neues Labor konzipiert, das dies ermöglicht. Dazu wurde eine Ausschreibung für einen Supraleitenden Magneten mit einer Feldstärke von 4 Tesla und einer Raumbohrung von 430 mm ausgegeben. Die Firma Access hat diese Ausschreibung gewonnen und ein Lieferdatum von Anfang 2001 zugesagt. Dies wird erste Experimente noch vor Ende 2001 ermöglichen.	A new laboratory was designed with the goal to investigate strongly coupled, strongly magnetised plasmas (complex plasmas under the influence of strong magnetic fields). For this purpose an invitation to bid was written out for a supra-conducting magnet with a field up to 4 Tesla and a central bore of 430 mm. The firm Access won the invitation to bid and promised a delivery date in the beginning of 2001. This will allow the first experiments before the end of 2001.
Die Projekte im Bereich Interdisciplinary Plasma Science wurden vom DLR wie folgt gefördert: Plasmakristall (50 WM 98520, IMPF-VE (50 WM 0038), adaptive Elektrode (50 TK 0001).	The projects of Interdisciplinary Plasma Science are supported by the DLR: Plasmakristall (50 WM 98520, IMPF-VE (50 WM 0038), adaptive Elektrode (50 TK 0001).
Abb. III-20: PKE Apparatur bestehend aus dem Experimentblock (rechts) und der Telescience-Einheit mit Videorekordern (links). Fig. III-20: PKE apparatus containing the experimental container (right) and the telescience unit with video recorders (left).	Abb. III-21: Training im Trainingszentrum nahe Moskau (Sternenstädtchen) mit Commander Bill Shepherd (links) und Bordingenieur Sergey Krikalev (rechts). Fig. III-21: Training in the training centre close to Moscow (Star City) with Commander Bill Shepherd (left) and board engineer Sergey Krikalev (right).
	Abb. III-22: Skizze des IMPF-Einbaus in ein Doppelrack auf der ISS. Die farbigen Boxen zeigen den benötigten Platzbedarf auf. Fig. III-22: Sketch of the IMPF accommodation in a double rack on the ISS. The coloured boxes show the required space.

MPE Jahresbericht 2000 / MPE Annual Report 2000