TY - THES A3 - Lützenkirchen-Hecht, Dirk A3 - Benedikt, Jan A3 - Shelley, Jacob AB - Diese Habilitationsschrift stellt Arbeiten zu drei Plasmaklassen vor - (i) Funkenplasmen, (ii) Plasmen in helikalen Resonatoren und (iii) Laserplasmen. Grundlegende Aspekte mit besonderem Fokus auf die Spektroskopie im Bereich des Vakuumultraviolett (VUV) bis zum nahen Infrarot (NIR) sowie auf Anwendungen in engem Zusammenhang mit der Massenspektrometrie werden behandelt. Die Arbeit wurde durch ein DFG Projekt initiiert, das die grundlegende Untersuchung einer miniaturisierten Funkenentladungslichtquelle umfasste. Dies ermöglichte die Entwicklung wesentlicher Forschungsinfrastruktur und die Etablierung des Fachgebiets „Plasmaforschung" in der Arbeitsgruppe Physikalische und Theoretische Chemie an der Bergischen Universität Wuppertal. Es folgten mehrere Forschungsprojekte mit Unternehmen und anderen Instituten, die zusätzliche finanzielle Mittel sowie Spenden in Form von Instrumenten und Hardware bereitstellten. In den vorgestellten Ergebnissen sind Forschungsarbeiten von sechs Doktorand:innen, sieben Master- und acht Bachelorstudierende involviert. Ihr wissenschaftlicher Output bildet die Grundlage für 20 Posterpräsentationen, 11 in Fachzeitschriften publizierte Artikel, zwei kommerzialisierte Produkte, die Initiierung einer Spektraldatenbank, vier Vorträge auf internationalen Konferenzen und zwei Patentanmeldungen.----------------------------------------------(i) Funkenplasmen--------------------------------------------------------Gemessene Ströme > 1 A bestätigen ein selbstregulierendes, gepulstes, bogenartiges Entladungsverhalten des behandelten Funkenplasmas. Zeitaufgelöste Messungen der Kondensatorspannung, des Entladungsstroms und der VUV/UV-VIS-Emission zeigen einen scharfen Hauptpeak (≈1 µs Breite), dem eine 100-kHz-Oszillation folgt, die durch das Schaltnetzteil angeregt wird. In dieser Phase erhöhen eingeschlossene Elektronen-Ionen-Wolken die pro Zyklus abgestrahlte Gesamtenergie erheblich. Mit einem fensterlosen VUV-Monochromator in Kombination mit einem Natriumsalicylat-Scintillator für den VUV-Bereich sowie einem faserverbundenen CCD-Spektrometer für den UV-VIS-NIR-Bereich wurde das Plasma zwischen 40 und 1200 nm charakterisiert. Für Helium bei 400 - 1700 mbar konnten außergewöhnlich reine Spektren des Hopfield-Kontinuums des Helium-Dimeren He2* gewonnen werden, dominiert von einer breiten Emission bei 82 nm, die dem Übergang A ¹Σ⁺ᵤ X ¹Σ⁺g zugeordnet wird. Ab-Initio- und Kernwellenfunktionsberechnungen lieferten genaue Potentialkurven und Schwingungsniveaustrukturen für die relevanten He2*-Zustände. Die Anpassung des gemessenen Kontinuums an schwingungsaufgelöste Einstein Koeffizienten ergab Informationen über die Schwingungsbesetzung des A ¹Σ⁺ᵤ Zustands und dessen Druckabhängigkeit. Die Breite und Form des He2*-Kontinuums hängen zwischen 400 und 1700 mbar nahezu linear vom Druck ab. Die Beiträge einzelner Schwingungsniveaus konnten für unterschiedliche Drücke rekonstruiert werden. Die systematische Beimischung von Edelgasen (Ne, Ar, Kr, Xe) und kleiner Mengen molekularer Gase (H2, N2 , O2, CO2) zu Helium zeigte die zentrale Rolle von Penning- und Photoionisationsreaktionen zwischen angeregten Helium Spezies bzw. Dimeren und der zweiten Komponente. Neon führte zu einer starken Linienemission, während das He2∗-Kontinuum nur mäßig gequencht wurde. Im Gegensatz dazu unterdrückten Ar, Kr und Xe die He* und He2∗ effizient über Penning- und Ladungstransferkanäle, was die Emission des Dotiergases stark erhöhte und zusätzlich Verunreinigungslinien von N, O und H unterdrückte. Die kompakte Bauform, der geringe Energiebedarf, der breite Druckbereich und die Strahlungseffizienz, insbesondere bei hohen Drücken, machen diese Mini-Funkenquelle für verschiedene Anwendungen attraktiv.----------------------------------------(ii) Plasmen in helikalen Resonatoren---------------------------------------Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit induktiv gekoppelten Plasmen, die bei 13.56 MHz durch kompakte Spulen angeregt werden. In dieser Arbeit werden sie als Quellen für VUV-Photonen und spezifische Reagenzionen verwendet. Auf Basis dieses Plasmatyps wurde eine „vortex“ GC-APPI-Ionisationsquelle für Orbitrap-Massenspektrometer entwickelt. Die wesentlichen konstruktiven Schritte werden im Detail erörtert. Die Quelle wurde von MasCom/GenTech kommerzialisiert und seither auf eine Vielzahl analytischer Fragestellungen angewandt. Darüber hinaus wurde eine GC-Ionisationsquelle im Dualmodus realisiert, die APPI und Atmosphärendruck-Laserionisierung (APLI) kombiniert. Sie nutzt dieselbe „vortex“ Geometrie, erlaubt jedoch zusätzlich die Einkopplung eines gepulsten UV-Lasers. Hardwaremäßig wurden die Spulen von der Platine entkoppelt und mit keramikisoliertem Draht direkt um die Glasröhren gewickelt. Damit ist ein Plasmabetrieb auch bei Temperaturen von mehreren hundert °C, z.B. in Kombination mit GC-Kopplungen, möglich. Parameterstudien zu Spulengeometrien, Metallummantelung etc., sowie selbstgebaute VUV-Lampen werden vorgestellt. UV-NIR-Emissionsmessungen an Kr-Lampen zeigten, dass ein großer Anteil der Kryptonatome in metastabilen Niveaus verbleiben. Ein experimenteller Ansatz zur resonanten Laseranregung dieser Zustände zur Steigerung der VUV-Ausbeute wird vorgestellt. Das Kapitel „Ionen-Nutzung" verwendet dieselbe helikale Resonator-Hardware für ein Wasserstoffplasma zur Erzeugung von H3+und weiteren protonierenden Reagenzien für die chemische Ionisierung (CI). In Zusammenarbeit mit der Tofwerk AG und im Rahmen des EU-H2020-Projekts CLOUD-MOTION wurde dieses Konzept als GC–CI–TOF-Massenspektrometer umgesetzt, in dem dieses Plasma als robuste und filamentfreie Niederdruck CI-Quelle dient.------------------------------------------------(iii) Laserplasmen--------------------------------------------------Der dritte Teil untersucht laserinduzierte Plasmen, die durch einen Nd:YAG-DPSS-Laser bei 1064 nm, mit 30 mJ pro Puls und einer Frequenz von 100 Hz in Argon erzeugt werden. Im Brennpunkt einer scharf fokussierenden Linse bildet sich ein kleiner, kugelförmiger „Plasmaball" von ca. 3 mm Durchmesser. Zeitaufgelöste Messungen des Laserpulses und der Lichtemission zeigen die verschiedenen Phasen der Plasmabildung. Die Modellierung der Multiphotonen-Ionisierungsraten in Verbindung mit der Strahlgeometrie ergibt ein primäres Plasmakernvolumen, das um etwa vier Größenordnungen kleiner ist als der sichtbare Plasmaball. Abschätzungen für die abgeleitete Temperatur und den Ionisationsgrad werden angegeben. Die VUV-Emission dieses laserinduzierten Plasmas zeigt starke ArII-Strukturen um die 60 nm, die durch eine geringe Fehlausrichtung zwischen Plasma und VUV-Spektrometer-Schlitz vollständig unterdrückt werden können. Dies belegt, dass die ionische Emission ausschließlich vom zentralen Plasmakern und nicht vom größeren, kollisionsdominierten Plume stammt. Der Bereich von 100 - 200 nm wird vom Ar2∗ Kontinuum um 127 nm dominiert, dessen Intensität und Breite empfindlich auf Beimischungen reagieren. Bereits 0.1 % O2 , N2, H2 oder CO2 quenchen das Kontinuum stark und begünstigen atomare Linien von O(I), N(I), H(I), C(I). Beimischungen von Neon zeigen hingegen keine Wirkung. Das Kontinuum im Bereich von 200 - 750 nm aufgrund von Rekombination und Bremsstrahlung sowie der Ar(I)/Ar(II)-Linienbereich oberhalb von 700 nm sind weitgehend unempfindlich gegenüber Strömungsänderungen oder geringen Gasbeimischungen. Ergänzend werden Messungen an Plasmaelektronen unter variierenden Bedingungen vorgestellt. AU - Kersten, Hendrik CY - Wuppertal DA - 2025 DO - 10.25926/BUW/0-1081 DP - Bergische Universität Wuppertal KW - Spark plasma KW - Helical resonator plasma KW - Laser-induced plasma KW - Vacuum-ultraviolet (VUV) spectroscopy KW - Atmospheric pressure photoionization (APPI) KW - Chemical ionization (CI) KW - Helium dimer (He₂*) Hopfield continuum KW - Proton transfer reagent ions KW - GC–MS interfaces (GC–APPI, GC–CI–TOF) LA - eng N1 - Bergische Universität Wuppertal, Habilitationsschrift, 2025 PB - Bergische Universität Wuppertal SP - 1 Online-Ressource (vi, 216 Seiten) T2 - Chemie TI - Spark, helical resonator and laser plasmas: investigations and applications UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:468-2-7670 Y2 - 2026-10-22T15:28:30 ER -