Alfvén-Wellen

Eine Plasmawelle ist eine elektromagnetische Welle, die sich in einem Gasplasma ausbreitet.

Vorbemerkung

Als Plasma bezeichnet man in der Physik ein gasförmiges, elektrisch leitfähiges und nach außen hin elektrisch neutrales Gemisch aus geladenen und ungeladenen Teilchen. Durch Energiezufuhr erfolgt eine (oft nur teilweise) Ionisierung des ursprünglichen Gases, z.B. eine Trennung von Elektronen aus Atomen oder aus Molekülen. Dies kann beispielsweise mittels Stoßionisation im elektrischen Feld bewerkstelligt werden.

Bei der Rückkehr der geladenen Teilchen in den ursprünglichen Teilchenverbund (Atom, Molekül, niedriger ionisiertes Ion) - man spricht hier von der Rekombination - wird die kinetische Energie und die für die Ionisierung aufgewendete Energie (Ionisierungsenergie) als elektromagnetische Strahlung emittiert.

Da meist nicht die gesamte in das Plasma eingespeiste Energie zur Ionisation führt, entfallen andere Energieanteile auf Anregungsprozesse innerhalb von Atomen, Molekülen und Ionen. Deshalb finden dort auch Elektronenübergänge zwischen internen diskreten elektronischen Energiezuständen und im Falle von Molekülen bzw. molekülartigen Ionen auch Übergänge zwischen Schwingungs- und Rotationszuständen statt, bei denen jeweils ebenfalls elektromagnetische Strahlung entsteht bzw. emittiert wird.

Diese Vorgänge zusammen werden zum einen in der Regel als Leuchterscheinungen außerhalb von Plasmen sichtbar. Als einige ganz wenige Beispiele seien hier "Neonlicht" in Ne-Niederdruckentladungen, Polarlichter, Flammen, aber auch Fixsterne (Sonnen) etc. genannt.

Zum anderen macht man sich z.B. die bei diskreten Übergängen zwischen unteren Anregungszuständen und Grundzuständen oft in dem für das Auge nicht sichtbaren Teil des UV-Spektrums emittierte Strahlung über den Umweg der Anregung von Leuchtstoffen im sichtbaren Wellenlängenbereich insbesondere bei der Leuchtstoffröhre und der Energiesparlampe technisch nutzbar. Daneben hat die direkte Nutzung dieser sehr kurzwelligen Strahlung, d.h., die Nutzung ohne den Umweg der Leuchtstoff-Anregung, eine wesentliche Bedeutung in der UV-Lithografie, dem zentralen Schritt bei der Herstellung von Halbleiterchips.

Darüber hinaus dient die spektrale Untersuchung der von Plasmen abgegebenen Strahlung (Plasmaspektroskopie) zur praktischen Erkenntnisgewinnung über Plasmen und deren Zustände selbst (Plasmadiagnostik).

Arten von Wellen in Plasmen

Es gibt drei charakteristische Arten von Wellen in einem Plasma. Die Unterschiede liegen im wesentlichen in der Art der Energieumwandlung. Im folgenden Abschnitt wird die Welle als Auslenkung von Ionen um feste Plätze betrachtet.

1. Schallwelle

Die Schallwelle ist nicht nur auf Plasmen begrenzt. In einem Plasma entsteht sie durch Auslenkung von Ionen aus Ihrer Gleichgewichtsposition. Darauf folgt eine Änderung des Druckes an dieser Stelle, was eine Fortpflanzung der Auslenkung über die benachbarten Ionen zur Folge hat, da ein "gestörtes" Ion sein Nachbarion "anstößt" usw.

2. Scherungs-Alfvén-Welle

Bei Anlegen eines Magnetfeldes können sich Wellen parallel zu den Magnetfeldlinien ausbreiten. Die Ionen "ziehen" dabei die Feldlinien mit. Daraus resultiert ein gestörtes Feld im Plasma, das wiederum eine Rückstellkraft hervorruft, und eine Welle entsteht.

3. Kompressions-Alfvén-Welle

Diese Welle verhält sich wie die Schallwelle, mit dem Unterschied, dass ein Magnetfeld anliegt und dieses in Bewegungsrichtung der Ionen komprimiert wird, da es wie bei der Scherungs-Alfvén-Welle mitgezogen wird. Die Wellen bewegen sich also senkrecht zum Magnetfeld fort und sind somit Longitudinalwellen.

Die Alfvén-Wellen sind benannt nach Hannes Alfvén. Die Scherungs-Alfvén-Wellen bewegen sich mit der gleichnamigen Alfvén-Geschwindigkeit fort.

Erzeugen der Plasmawelle

Um in diesem dynamischen Gleichgewicht eine Plasmawelle zu erzeugen, wird das Plasma zusätzlich gezielt angeregt.

mittels kurz gepulster Laser

Die Verwendung eines hochenergetischen und sehr kurz gepulsten Lasers ist eine Möglichkeit.

Hierbei wird der Laser auf einen Punkt fokussiert. Durch die extreme Zunahme der Energie an einem einzigen Punkt werden die freien Elektronen zusätzlich angeregt und entfernen sich von den Atomkernen in diesem Bereich. Nach dem Puls streben die Elektronen wieder zurück zu den Restatomen. Die Elektronen werden jedoch nicht vollständig von den Atomen eingefangen, schießen teilweise über das Ziel hinaus und kehren anschließend wieder zurück. Durch diesen schwingenden Dipol, gebildet durch die negativ geladenen Elektronen und die positiv geladenen Restatome, entsteht für sehr kurze Zeit eine elektromagnetische Plasmawelle.

Auf diese Weise ist es Forschern gelungen, Elektronen bis auf 200 MeV (MegaElektronenVolt) zu beschleunigen (Science 298, 1596-1600 (2002)).

mittels beschleunigter Positronen

Eine weitere Möglichkeit ist die Erzeugung einer Plasmawelle mittels bereits beschleunigter Positronen, den Antiteilchen der Elektronen.

Hierbei werden Positronen durch ein Plasma geschossen. Entlang des Flugweges stört das Positron das Gleichgewicht und erzeugt einen ähnlichen Effekt wie der Laserpuls. Allerdings breitet sich die Plasmawelle hier über die gesamte Flugbahn aus.

Auf diese Weise konnte ein weiteres Positron, das dem ersten folgte um weitere 80 MeV beschleunigt werden (Phys. Review Letters 90, Art.-Nr.: 214801 (2003)).

Einsatzmöglichkeiten

Zur Zeit befinden sich diese Techniken noch im Experimentierstadium. Doch in naher Zukunft ist der praktische Einsatz in folgenden Bereichen absehbar:

• im Bereich der experimentellen Elementarteilchenphysik, die durch die deutlich kleineren und günstigeren Apparaturen (25 Quadratmeter) im Vergleich zu den heutigen Teilchenbeschleunigern mit kilometerlangen Beschleunigungsröhren einen klaren Vorteil bieten.
• in der Medizin: Tumore können durch Protonenstrahlen behandelt werden. Durch die neuen Apparaturen müssten die Patienten nicht mehr in Beschleunigungszentren gebracht werden, sondern könnten direkt im Krankenhaus behandelt werden.
• in der Antriebstechnologie für den Einsatz von Plasmatriebwerken, z. B. für Weltraumexpeditionen in weiter entfernte Bereiche des Weltalls.

Literatur

• Neil F. Cramer: The physics of Alfvén waves. Wiley-VCH, Berlin 2001, ISBN 3-527-40293-4
• Abraham C.-L. Chian: Alfvén waves in cosmic and laboratory plasmas. Royal Swedish Academy of Sciences, Stockholm 1995, ISBN 91-87308-33-9
• Rodney Cross: An introduction to Alfven waves. Hilger, Bristol 1988, ISBN 0-85274-245-2