Characterization of an inductively-heated plasma wind tunnel for the use with dusty plasmas

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Plasmawindkanal mit einem induktiv beheizten Plasmagenerator (IPG-6B) charakterisiert, um die Einsatzmöglichkeiten und Möglichkeiten zur Untersuchung staubhaltiger Plasmaströmungen zu ermitteln. Im IPG6-B können mit verschiedenen Düsen Unter- und Überschall-Plasmaströmungen aus Luft, Argon, Helium und Stickstoff erzeugt werden. Der Wirkungsgrad und die Enthalpie wurden mit einem Hohlraumkalorimeter gemessen, die Machzahl wurde mit Hilfe einer Pitot-Sonde bestimmt. Die Elektronentemperatur, Elektronendichte und Ionentemperatur des Plasmas wurden mit einer elektrostatischen Sonde gemessen. Zur Auswertung der Daten der elektrostatischen Sonde wurde eine inverse Methode entwickelt. Die Eigenschaften des Plasmastrahls wurden in einem weiten Bereich von Machzahlen (Ma = 0,1 - 1,5) bestimmt, während die Elektronentemperatur im Bereich von 0,5 − 2 eV lag. Der Wirkungsgrad des Generators wurde zu 4% für Argon und 45% für Luft bestimmt. Darüber hinaus wurden sphärische Partikel in die Plasmaströmung eingebracht und mit einer Hochgeschwindigkeitskamera beobachtet. Es konnten Partikel beobachtet werden, die sich im Plasmastrahl mit Geschwindigkeiten von bis zu 120 m/s bewegten. Variationen in der Geschwindigkeitsverteilung der Partikel in Abhängigkeit von Gasart, Strömungsgeschwindigkeit und Temperatur konnten mit Particle Tracking Velocimetry (PTV) beobachtet werden. Außerdem wurde eine partikelbeladene Strömung um eine Halbkugel untersucht, in die Permanentmagnete integriert wurden, welche die magnetohydrodynamische Wechselwirkung des Plasmastrahls beeinflussen. Es konnten verschiedene Anwendungen der Anlage identifiziert werden. Dazu gehören die Untersuchung von Hitzeschildmaterialien für Wiedereintrittsströmungen, die Untersuchung von Plasmaströmungen und deren magnetohydrodynamischen Wechselwirkungen sowie die Untersuchung von Staub in astrophysikalischen Phänomenen, wie sie in protoplanetaren Scheiben auftreten.