Plasmaphysik

Plasmaphysik ist die Wissenschaft von ionisierten Gasen, die als Plasma bezeichnet werden. Ein Plasma entsteht, wenn Gas so stark energisiert wird, dass Elektronen und Ionen frei beweglich sind. Typische Merkmale sind Debye-Abschirmung, hohe elektrische Leitfähigkeit und kollektive Phänomene, die durch viele geladene Teilchen hervorgerufen werden.

Struktur und Dynamik von Plasmen werden durch die Maxwell-Gleichungen in Kopplung mit der Verteilung der Ladungsträger beschrieben. Theoretische Modelle reichen vom Boltzmann- oder Vlasov-Gleichung über Zwei-Fluid-Modelle bis hin zur Magnetohydrodynamik (MHD). Plasmen zeigen Wellen, Instabilitäten und starke Kopplungen zwischen Feldern und Teilchenströmen.

Plasmen erscheinen in der Natur und Technik: in der Astrophysik und Raumfahrt als Welplasmen, in der Fusionsforschung als Hochtemperaturplasma in Tokamaks und Stellarators, sowie in der Industrie als Niedrigtemperaturplasma für Oberflächenbehandlung, Abscheidung und Sterilisation. Zentrale Parameter sind Elektronendichte n_e, Elektronentemperatur T_e, Ionentemperatur T_i, Debye-Länge λ_D und die Plasmadichte. Plasmaphysik befasst sich mit deren Messung, Steuerung und Nutzung.

Typische Diagnostik umfasst Langmuir-Proben, Thomson-Streuung, interferometrische Dichtemessung, Spektroskopie und laserbasierte Techniken. Forschungsfelder umfassen Plasmaphysik der Grenzschicht, Laserplasma, Plasmen in der Astrophysik, sowie effiziente Energiegewinnung durch kontrollierte Fusion.