Wahlobligatorische Vorlesung Sommersemester 2007 Einführung in die Plasmaphysik Prof. Dr. Ronald Redmer Universität Rostock Institut für Physik AG Statistische Physik
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)