Dusty plasmas in moderate magnetic fields

The main issue of this thesis was the investigation of dusty plasmas in magnetic fields. We made use of spherical paramagnetic as well as non-magnetic plastic particles in the micrometer range, so-called dust particles. The particles were then trapped in the sheath region of the driven lower electrode of an rf discharge. The plasma chamber was surrounded by coils to apply a horizontal magnetic field with field strengths of up to B=50mT at the particles’ position. In this configuration the sheath electric field and the external magnetic field were perpendicular to each other. Only the electrons could be magnetized but this leads to several forces acting on the dust particles. In some aspects the dust clusters with the magnetic particles show a behavior that is in complete contrast to those consisting of the standard non-magnetic plastic particles. Both types of particles have in common that the dust clusters were found to move either towards the positive or negative ExB-direction as a reaction to the magnetic field. Whether the positive or negative direction was preferred depended on the experimental conditions. The forces that lead to this transport are plasma-based forces induced by the magnetic field. These investigations were performed on two-dimensional horizontal particle systems. Vertically aligned dust particles due to the ion focus interaction have also been studied to determine the influence of horizontal magnetic fields on the stability of such dust pairs. Under certain conditions the vertical alignment can be broken up by the magnetic field. Some additional experiments on the interaction of non-magnetic dust particles in a plasma with UV irradiation were performed, but a significant decrease of dust charge due to a photoelectric effect was not detected. In summary, even relatively weak horizontal magnetic fields have a strong influence on dust particle systems.Das Hauptanliegen dieser Arbeit war die Untersuchung von Staubigen Plasmen in Magnetfeldern. Wir benutzten sowohl sphärische paramagnetische als auch nichtmagnetische Plastikteilchen von einigen Mikrometern Größe, sogenannte Staubteilchen. Die Teilchen wurden dann in der Randschicht der getriebenen unteren Elektrode einer RF-Entladung eingefangen. Die Plasmakammer war von Spulen umgeben um ein horizontales Magnetfeld mit Feldstärken bis zu B=50mT am Teilchenort zu erzeugen. In dieser Anordnung stehen das elektrische Feld der Randschicht und das Magnetfeld senkrecht zueinander. Nur die Elektronen konnten magnetisiert werden, was aber zu einer Reihe von Kräften führt, die auf die Staubteilchen wirken. In einigen Aspekten verhalten sich die Staubcluster bestehend aus den magnetischen Teilchen deutlich anders als die nicht-magnetischen Plastikteilchen. Beide Teilchensorten haben gemein, dass sich die Staubcluster als Reaktion auf das Magnetfeld in die positive oder negative ExB-Richtung verschieben. Ob die positive oder negative Richtung bevorzugt wurde, hing von den experimentellen Parametern ab. Die Kräfte, die zu dieser Verschiebung führen, sind Plasma-basierte Kräfte und werden durch das Magnetfeld angeregt. Diese Untersuchungen bezogen sich auf zweidimensionale horizontale Teilchensysteme. Vertikal angeordnete Staubteilchen aufgrund des Ionenfokuseffektes wurden auch untersucht um den Einfluss des horizontalen Magnetfeldes auf die Stabilität solcher Staubpaare zu bestimmen. Unter bestimmten Bedingungen kann die vertikale Anordnung durch das Magnetfeld aufgebrochen werden. Weiterhin wurden einige zusätzliche Experimente zur Wechselwirkung nicht-magnetischer Staubteilchen mit UV-Strahlung durchgeführt. Eine signifikante Verminderung der Staubladungszahl durch den Fotoeffekt konnte allerdings nicht festgestellt werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Staubteilchensysteme schon von relativ schwachen horizontalen Magnetfeldern stark beeinflusst werden können

Paramagnetic dust particles in rf-plasmas with weak external magnetic fields

Abstract Experimental studies on dusty plasmas containing systems of (super-)paramagnetic dust particles are presented. In our experiments, external (homogeneous as well as inhomogeneous) magnetic fields in the mT range are applied to study the effect on single particles or few-particle systems that are trapped inside the sheath region. The behavior of the paramagnetic dust particles is considerably different than that of dielectric plastic particles, which are widely used in dusty plasmas. It is revealed that especially non-magnetic contributions play an important role in the interaction between superparamagnetic particles

Magnetic field effects and waves in complex plasmas

Magnetic fields can modify the physical properties of a complex plasma in various different ways. Weak magnetic fields in the mT range affect only the electrons while strong fields in the Tesla regime also magnetize the ions. In a rotating dusty plasma, the Coriolis force substitutes the Lorentz force and can be used to create an effective magnetization for the strongly coupled dust particles while leaving electrons and ions unaffected. Here, we present a summary of our recent experimental and theoretical work on magnetized complex plasmas. We discuss the dynamics of dust particles in magnetized discharges, the wave spectra of strongly coupled plasmas, and the excitations in confined plasmas