3.5 Komplexe Plasmen / Complex plasmas
3.5.1 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).
In 2002 wird die erste Evaluierung des CIPS durch den Fachbeirat stattfinden. Aus diesem Anlass wird ein Zwei-Jahresbericht erstellt, in dem sowohl die MPE als auch die IPP CIPS-Aktivitäten zusammengefasst werden. Aus diesem Grund wird hier auf eine ausführliche Darstellung verzichtet.	In 2002 CIPS will be evaluated by the "Fachbeirat" for the first time. In order to facilitate the work of this visiting committee, a 2-year report of MPE/IPP-CIPS-activities will be compiled. This report will be available shortly and hence it is not necessary to present further details here.
Weltraum- und Laboraktivitäten / Space and Laboratory Activities
Abb. 3-18: PKE-Nefedov bei der Startvorbereitung vor dem Einbau in den Sicherheitscontainer (Abb. 3-19). Fig. 3-18: Preparing for launch - PKE-Nefedov before the installation in the safety container (Fig. 3-19).	Abb. 3-19: Kosmonaut Krikalev mit PKE-Nefedov auf der ISS. Fig. 3-19: Cosmonaut Krikalev with the PKE-Nefedov on board of the ISS.
Mit dem Plasmakristallexperiment PKE-Nefedov begannen in diesem Jahr die Untersuchungen komplexer Plasmen unter Schwerelosigkeit auf der internationalen Raumstation ISS. Nachdem am 1. November 2000 die erste Besatzung auf der ISS (Gidzenko, Krikalev und Shepherd) mit Sojus von Baikonur aus gestartet war, wurde im Dezember 2000 das Experiment an Russland übergeben. Letzte Tests, wie das Befüllen mit Partikeln und die Überprüfung der Dichtigkeit, wurden Anfang Januar 2001 in Baikonur durchgeführt (Abb. 3-18). Am 26. Februar 2001 startete PKE-Nefedov erfolgreich an Bord eines Progress-Transporters und dockte zwei Tage später von Hand gesteuert an die ISS an. Nach dem Entladen von PKE-Nefedov, dem Aufbau und ersten Test wurde die Vakuumleitung an den Weltraum angeschlossen. Nach einer zwölfstündigen Pumpzeit wurden dann ab dem 3. März die ersten Basisexperimente mit Mikropartikeln von 3.4 und 6.8 µm Durchmesser in der PKE-Nefedov-Plasmakammer durchgeführt, wobei wir immer wieder Kontakt zu den Kosmonauten hatten und die Experimente teilweise live am Monitor verfolgen konnten. Am 21. März landete die erste Besatzung mit dem Spaceshuttle Discovery nach 141 Tagen Aufenthalt im All am Kennedy Space Center (Florida). Im Gepäck befanden sich die ersten Experimentdaten (Videokassetten und PCMCIA-Karten) von PKE-Nefedov.	This year the plasma crystal experiment PKE-Nefedov started to investigate complex plasmas under microgravity on the international space station ISS. After the launch of the first crew on the ISS (Gidzenko, Krikalev, and Sheperd) on November 1, 2000, with Sojus from Baikonur, the experiment was delivered to Russia in December 2000. Last tests, such as the particle injection and tightness checks, were conducted in Baikonur in the beginning of January 2001 (Fig. 3-18). On February 26, 2001, PKE-Nefedov was launched successfully on board of a Progress transporter and manually docked two days later to the ISS. After unloading, assembling and testing of the PKE-Nefedov, the vacuum line was connected to outer space. After pumping for 12 hours the first basic experiments with micro particles with a diameter of 3.4 and 6.8 µm were performed. During these experiments which start at March 3, we had contact to the cosmonauts and could follow these experiments partly live on a monitor. On March 21 the first crew landed with the Space Shuttle at the Kennedy Space Center (Florida) after spending 141 days in space. In their luggage were the first experimental data (VCs and PCMCIA cards) from the PKE-Nefedov. lang=EN-GB>
Die Auswertung der Daten ergab, wie erhofft und im Gegensatz zu Laborexperimenten unter Schwerkraft, das Auftreten von Mikropartikeln im gesamten Kammervolumen, wobei sich jedoch im Zentrum der Kammer eine partikelfreie Region ("Void") ausbildete (s. wissenschaftliche Ergebnisse - Komplexe Plasmen). Allerdings stellte sich auch heraus, dass die Pumpleistung bei bloßem Anschluss an den Weltraum für viele Zwecke, insbesondere zur Reduktion des Voids, unzureichend ist. Deshalb wurden in Rekordzeit Vorbereitungen für den Transport einer Turbomolekularpumpe zur ISS getroffen, die bereits im September mit dem Docking Adapter an Bord der ISS gebracht wurde. Davor hatte eine erste Taxicrew, bestehend aus den Kosmonauten Musabajev und Baturin, bei ihrem Kurzaufenthalt Anfang Mai 2001 auf der ISS weitere Experimente mit PKE vorgenommen und neue Videobänder zur Erde zurückgebracht. Die zweite Taxicrew (Afanassiev, Haigenere und Kazeev) konnte zeigen, dass sich die Plasmabedingungen bei Benutzung der Pumpe wesentlich verbessern lassen, so dass das Experiment, wie gewünscht, auch bei sehr niedrigen RF-Leistung noch betrieben werden kann.	The analysis of the data showed, as expected in contrast to laboratory experiments under gravity, the appearance of micro particles in the entire chamber, where, however, a void was created in the center of the chamber (see scientific results - complex plasmas). However, it became apparent that the effiency of the pump by connecting to space only is insufficient for many purposes, in particular for reducing the void. Therefore preparations for the transport of a turbo-molecular pump to the ISS were met in record time. The pump was brought to the ISS already in September using the docking adapter. Before that, the first taxi crew, consisting of the cosmonauts Musabajev and Baturin, had made further experiments with PKE during their short stay in the beginning of May 2001 and had brought new video tapes back to earth. The second taxi crew (Afanassiev, Haigenere and Kazeev) could show that the plasma conditions are significantly improved by using the pump. As a result the experiment could be run, as desired, also at very low RF-power.
	Abb. 3-20: Parabelflugerprobung der PKE-Kammer. >Fig. 3-20: Parabola flight tests of the PKE-chamber.
Vom 25. bis 27. September wurden die ersten Resultate von PKE-Nefedov auf einem Symposium am MPE unter Anwesenheit der Kosmonauten und vielen Teilnehmern aus Russland (RKK Energia, Rosaviakosmos, TSUP, Astronauten-Trainingszentrum und dem russischen Konsul Linevitsch) vorgestellt. Dabei wurde auch ein vom DLR gefördertes Folgeprojekt von PKE-Nefedov auf der ISS auf der bisher so erfolgreichen Basis der deutsch-russischen Zusammenarbeit beschlossen. Des Weiteren wurden im November Untersuchungen zur genauen Vermessung der PKE-Kammer mit einem baugleichen Modell auf einer DLR-Parabelflugkampagne durchgeführt (Abb. 3-20). Dabei wurde auch die Verwendung einer Langmuir-Sonde zur Plasmadiagnostik, insbesondere zur Bestimmung der Plasmaparameter im Void, getestet.	The first results from PKE-Nefedov were presented on a symposium at the MPE from September 25 to 27 in the presence of the cosmonauts and many other Russian participants (RKK Energia, Rosaviakosmos, TSUP, Astronaut Training Center and the Russian consul Linevich). During this meeting a follow up project on the ISS, supported by DLR and based on the successful German-Russian collaboration, was decided. Furthermore, investigations for the exact measuring of the PKE-chamber with an identical model were conducted during an DLR parabola flight campaign (Fig. 3-20). There also the use of a Langmuir probe for plasma diagnostics, in particular for determining the plasma parameters in the void, was tested.
	Abb. 3-21: IMPF-Plasmakammer bei der ESA-Parabelflugkampagne. Fig. 3-21: IMPF plasma chamber at the ESA parabola flight campaign.
Die im Juni 2000 begonnen, in Zusammenarbeit mit der Industriefirma Kayser-Threde durchgeführten Vorentwicklungsstudien zur "International Microgravity Plasma Facility" (IMPF) wurden weiter vorangetrieben. IMPF soll als ein auf der ISS stationiertes, international zugängliches Langzeit-Labor auf modularer Basis für vielseitige Experimente im Bereich komplexer Plasmen unter Schwerelosigkeit realisiert werden (s. Jahresbericht 2000). Neben der Weiterentwicklung des Gesamtdesigns und wiederholter Abstimmungen des Anforderungskatalogs wurden zunächst die Parabelflugerprobungen vom November 2000 mit der RF-Testkammer ausgewertet. Darüber hinaus wurden Studien zur schnellen Erfassung des Experiments mittels digitaler Messkameras und zur Kompression der im Experiment anfallenden Daten durchgeführt. Weitere Untersuchungen umfassten die Dispensorentwicklung zur Mikroteilcheninjektion ins Plasma, die Verbesserung der Kammerdichtigkeit, die Unterbringung einer Langmuirsonde in der RF-Kammer und Methoden zur Reinigung der Kammer. Zwischenergebnisse wurden auf den Treffen des "Advisory Boards" in Iowa City im Mai (AB7) und in Moskau im Dezember (AB8) vorgestellt. Auf letzterem wurden insbesondere die Resultate der im Oktober mit der IMPF-Testkammer auf einer ESA-Parabelflugkampagne vorgenommenen Tests präsentiert. Dabei waren zum einen drei verschiedene Elektroden zur Bestimmung des optimalen Elektrodendurchmessers, zum anderen die Dispensoren zur Injektion der Partikel bei Gerade- und Schrägeinschuss getestet worden. Die dabei verwendete IMPF-Plasmakammer ist in Abb. 3-21 dargestellt.	The pre-developments for the "International Microgravity Plasma Facility" (IMPF), which had started in June 2000, proceeded further on in collaboration with the industrial company Kayser-Threde. IMPF is supposed to provide an internationally available long-duration, modular laboratory on the ISS for multi-purpose experiments on complex plasmas (see annual report 2000). Besides new developments of the concept and repeated updates of the requirements, the results of the parabola flights with the RF-test-chamber from November 2000 were analysed. Moreover, studies for the rapid registration of the experiment using digital cameras and for the compression of the produced data were performed. Further investigations include the dispenser development for the micro particle injection into the plasma, the improvement of the chamber tightness, the accommodation of a Langmuir probe within the RF-chamber and methods for cleaning of the chamber. Preliminary results were presented at the meeting of the advisory board in Iowa City in May (AB7) and in Moscow in December (AB8). In the last meeting the results from the ESA parabola flight campaign in October with the IMPF test chamber were presented. During this campaign three different electrodes for determining the optimal electrode diameter as well as dispensers for the straight and tilted injection of particles had been tested. The used IMPF plasma chamber is shown in Fig. 3-21.
Die komplette Zustandscharakterisierung der adaptiven Elektrode, einer Anordnung aus spannungskontrollierbaren Elektrodensegmenten (Abb. 3-22) zur Produktion lokaler Modifikationen im Plasmarand, wurde abgeschlossen. Die Schwelle zwischen der lokalen Modifikation und der gesamten Plasmakontrolle ist experimentell über DC- und RF-Anregungen zugänglich. Eine an einem "Pixel" (Segment) angelegte DC-Spannung zieht einen Nettostrom aus dem Plasma, so dass das lokale Gleichgewicht zwischen Ionen- und Elektronenfluss modifiziert wird, während eine angelegte RF-Spannung einen Spannungsunterschied induziert, der diese Größen unverändert lässt. Bei diesen Untersuchungen wurden die oberhalb der Plasmarandschicht suspendierten Partikel als wirkungsvolles Mittel zur Diagnose der Ausdehnung der "Störung" eingesetzt. Die Fläche der Pixel stellte dabei eine wesentliche Einschränkung dar, genauso wie das Problem der Abnutzung der Kupferoberflächen und der Kontakte. Beide Probleme konnten durch eine neue hochtechnologische Version eines für kleine Pixel geeigneten Prototyps gelöst werden. Im Laufe der Entwicklung wurden neue unerwartete Entdeckungen gemacht. Die auftretenden mehrfachen Plasma-Doppelschichten wurden theoretisch und experimentell durch die Wechselwirkung der Mikropartikel in verschiedenen Leistungs- und Druckbereichen untersucht. Ein Experiment, in welchem ein Teilchen gezwungen wird, die Doppelschicht zu durchdringen, wird momentan durchgeführt. Dazu wird eine Laser-Pinzette zur Freisetzung des Teilchens nahe der Doppelschicht ohne jegliche mechanische oder elektrische Störung benutzt. Andere interessante Merkmale beinhalten die Modulation des Floating-Potentials an einer segmentierten Elektrode, welche keine freie Stromzirkulation zulässt.	The full steady state characterisation of the adaptive electrode, an array of voltage controllable electrode segments, which produce local modifications in the plasma-edge, is now completed (Fig. 3-22). The threshold between the local modification and the full plasma control has been experimentally assessed with DC and RF excitation. A DC voltage applied to one "pixel" (segment) will draw a net current out of the plasma, modifying the local balance of ion and electron fluxes, while an applied RF voltage will induce a DC bias leaving those quantities non-modified. In this work particles suspended over the sheath have acted as a powerful diagnostic to trace the extent of the perturbation. The area of the pixels was a crucial limitation, and the wearing of the copper surfaces and contacts was also a problem. Both these limits have been solved by a new technologically advanced version of the prototype prepared for small pixel sizes. In the course of the steady state experiments new un-expected features have been revealed. The multiple double layers have been studied theoretically and experimentally by the interaction with microparticles in different power and pressure regimes. At present, an experiment in which a particle is forced to cross the double layer is performed. It utilises laser tweezers to release the particle near the double layer without introducing any other mechanical or electrical disturbance. Other interesting features include the modulation of the floating potential on a segmented electrode that does not allow free circulation of currents.
	Abb. 3-22: Die adaptive Elektrode mit einem Segment DC (positiv) und RF betrieben. Fig. 3-22: The adaptive electrode running with a DC (positive) and RF segment.
Weitere Entwicklungen der Elektronik umfassen 18 dynamische DC Kanäle, die eine unabhängige Kontrolle im Frequenzbereich von 0.1 bis 100 Hz bei einer Amplitude zwischen -100 V bis +100 V erlauben. Der Start der dynamischen Testreihe ist für Anfang 2002 geplant.	Further development of the electronics include 18 dynamic DC channels independently controllable in the frequency range of 0.1 to 100 Hz, with an amplitude from -100 V to +100 V. We plan to start the dynamical testing early in 2002.
Weiterhin wurde der Aufbau eines Labors am MPE, das eine neue experimentelle Kammer zum Test der neuen adaptiven Elektrode beherbergen soll, vorbereitet. Die Plasmadiagnostik umfasst Langmuir-Sonden und optische Spektroskopie. In der nächsten Phase beabsichtigen wir, einen modularen Aufbau zu entwickeln, um größere adaptive Elektroden zu fertigen und zu testen.	A laboratory has been prepared in the MPE to accommodate a new experimental chamber where the new adaptive electrode will be tested. The plasma diagnostics include Langmuir probe and optical spectroscopy. In the next phase we will start to develop a modular approach to extend and test larger adaptive electrodes.
Der Aufbau der Large Magnetic Field Facility, mit der stark gekoppelte, stark magnetisierte Plasmen erstmals untersucht werden sollen, wurde weitergeführt. Die Vorbereitung des Labors, inklusive Berechnung der magnetischen Abschirmung und Steuerung des Systems, wurde abgeschlossen, ebenso wie das Plasmakammerdesign inklusive Diagnostik. Die letzten Tests mit dem supraleitenden Magneten wurden im Dezember bei der Firma Access durchgeführt, so dass, etwas zeitlich verzögert, Anfang Januar 2002 mit dem Laboraufbau begonnen werden kann.	The construction of the Large Magnetic Field Facility, in which for the first time strongly coupled, strongly magnetized plasmas shall be investigated, has been carried on. The preparation of the laboratory, including the computation of the magnetic shielding and the control of the system, has been finished, as well as the design of the plasma chamber including the diagnostics. The last tests with the superconducting magnets were conducted in December at the company Access. Hence, with some delay, the construction of the laboratory can be started in January 2002.
Die Laborentwicklungen für ein Paramagnetik-Labor wurden vorangetrieben. Die zwei Ziele sind: (1) Untersuchung von stark gekoppelten Systemen, die über magnetische Dipolkräfte wechselwirken (es werden neue Zustandsgleichungen und Phänomene erwartet); und (2) Schwerelosigkeitsbedingungen durch die Levitation von paramagnetischen Partikeln in einem inhomogenen Magnetfeld zu erzielen. Der interessante Aspekt zu (2) ist folgender: Die Partikel erhalten ein magnetisches Moment und die resultierende magnetische Kraft ist proportional zum Volumen der Partikel. Diese Kraft kann also die Schwerkraft für unterschiedlich große Partikel gleichen Materials aufheben, wenn sie genau eingestellt ist. Die Untersuchung stark gekoppelter, magnetisch wechselwirkender Teilchen, auch in Kombination mit im Plasma elektrostatisch wechselwirkender Systeme, erschließt eine neue Forschungsrichtung. Es ist geplant, erste Experimente Anfang 2002 durchzuführen, sobald der Laboraufbau durchgetestet ist.	The developments of a Paramagnetic Laboratory have been pursued. The aims are: (1) Investigation of strongly coupled systems interacting by magnetic dipole forces (new equations of state and phenomena are expected); (2) Realization of micro gravity conditions by levitating paramagnetic particles in an inhomogeneous magnetic field. The interesting aspect concerning (2) is the following: the particles obtain a magnetic moment and the resulting magnetic force is proportional to the volume of the particles. This force can therefore compensate the gravity of particles of different size and identical material, if it adjusted exactly. The investigation of strongly coupled, magnetically interacting particles, also in combination with electrostatically interacting systems in the plasma, will open a new research direction. It is planned to perform first experiments in the beginning of 2002, as soon as the laboratory set-up is tested.
Während des letzten Jahres ist eine zweite GEC-RF-Referenz Plasmakammer aufgebaut und in Betrieb genommen worden. Somit steht, während eine Plasmakammer für neue Experimente modifiziert wird, immer eine zweite zur Verfügung, die einen kontinuierlichen Experimentzyklus ermöglicht.	During the last year a second GEC-RF-Reference Plasma Chamber has been constructed and started its operation. Hence there is always a second plasma chamber available allowing a continuous running of the experiments and at the same time modifications for new experiments.
In enger Zusammenarbeit im CIPS mit dem IPP bauen wir ein neues Plasmalabor auf, das speziell dem Wachstum von Diamantpartikeln im Plasma gewidmet ist. Ziel ist es, durch die Einstellung besonderer Plasmabedingungen, monokristalline Diamantpartikel bis zu einer Größe von einigen 10 µm herzustellen. Ein Patent für dieses Verfahren wurde eingereicht. Bei diesem Projekt kombinieren wir die Erfahrung am MPE mit der Expertise der Plasma-Wand-Wechselwirkungsgruppe am IPP und der Universität von Sendai, Japan.	We are building up a new plasma laboratory at the CIPS in close collaboration with the IPP, which is dedicated especially to the growth of diamond particles in the plasma. It is the aim to produce mono-cristalline diamond particles up to a size of a few 10 µm by adjusting the plasma conditions. A patent for this method has been filed. Within this project we combine the experiences at the MPE with the expertise of the plasma-wall-interaction group at the IPP and the University of Sendai, Japan.
Die Thermophorese kann ebenfalls benutzt werden, um Mikroteilchen in einem Plasma zu manipulieren. Es wurde deshalb eine mit Peltier-Elementen kontrollierte Plasmakammer gebaut, bei der ein konstanter Temperaturgradient zwischen den Elektroden eingestellt werden kann. Die Kammer ist in Abb. 3-23 gezeigt. Die thermophoretische Kraft kann dann (bei vertikaler Anordnung) die Schwerkraft ganz oder teilweise aufheben - allerdings nur für Teilchen mit konstantem Produkt von Dichte und Radius (rho x a). Erste Ergebnisse mit der neuen "Thermophorese-Kammer" sind sehr vielversprechend.	Thermophoresis can also be used for manipulating micro particles in a plasma. Therefore a plasma chamber controlled by Peltier elements has been built, in which a constant temperature gradient between the electrodes can be applied. The chamber is shown in Fig. 3-23. The thermophoretic force can compensate (in the case of a vertical arrangement) gravity completely or partly - however, only for particles with a constant product of density times radius (rho x a). First results with the new "thermophoretic chamber" are very promising.
Vom DLR (BMBF) wurden im Rahmen "Forschung unter Schwerelosigkeit" die Projekte PKE-Nefedov (Förderkennzeichen 50WM9852) und IMPF-Vorentwicklung (Förderkennzeichen 50WM0038), sowie im "First Chance Program" Adaptive Elektroden (Förderkennzeichen 50TK0001) gefördert. Mit EU Fördermitteln wird das EU-Netzwerk "Komplexe Plasmen" gefördert.	The projects PKE-Nefedov (grant no. 50WM9852) and IMPF-pre development (grant no. 50WM0038) have been supported by the DLR (BMBF) within "Research under Microgravity" and the Adaptive Elektrodes (grant no. 50TK0001) within the "First Chance Program". The EU-network "Complex Plasmas" was supported by the European Union.
	Abb. 3-23: Plasmakammer mit Thermophoresinstallation. Man sieht links die Plasmakammer, darüber den Antriebsmotor für den Staubdispensor, rechts eine digitale CCD Kamera, montiert auf einer Verschiebevorrichtung und vorne einen Laser mit Umlenkspiegel zur seitlichen Beleuchtung der Mikropartikel. Die Peltierelemente zum Erzeugen eines Temperaturgefälles finden sich in der Metallstruktur vor dem Kameraobjektiv. Sie sind an den Stromzuleitungen zu erkennen. Fig.3-23: Plasma chamber with thermophoresis installation. The plasma chamber is shown on the left side. Above, the engine for the dust dispenser is shown. On the right side, a digital CCD camera is mounted on a shift table. In the foreground, a laser with a deflecting mirror for the illumination of the microparticles is shown. The Peltier elements for producing a temperature gradient are located in the metal structure in front of the camera lens and can be identified by their power connections.

MPE Jahresbericht 2001 / MPE Annual Report 2001