Microwave diagnostics of plasma and materials

Mgr. Jan Faltýnek, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Tato disertační práce se zabývá klasickými mikrovlnnými metodami diagnostiky materiálů a plazmatu a možnostmi potenciálního rozšíření jejich využitelnosti. Ve srovnání s jinými alternativami má mikrovlnná diagnostika určité výhody jako je rychlá odezva (prakticky v reálném čase), nízké pořizovací a provozní náklady, odolná a jednoduchá konstrukce nebo snadná modifikace. Elegance klasických mikrovlnných metod spočívá v jejich analytické teorii, která je jednoduchá a přitom dostatečně dobře vystihuje realitu. Někdy ovšem ``dostatečně dobře'' nestačí. Přesněji řečeno, tento zjednodušený přístup může vést ke značným chybám pro řadu významných výbojů a materiálů (malé rozměry, komplikovaná topologie, silné gradienty, vysoká hustota plazmatu atd.). Z tohoto důvodu byly mikrovlnné metody v této práci podrobeny bližší revizi pomocí moderního numerického modelování elektromagnetického pole. Důraz je kladen na logický a srozumitelný postup při vývoji modelů od těch nejjednodušších až k těm detailním. Tento výzkum v první řadě přináší přímé výsledky -- způsob jak měřit permitivitu materiálů a následně i koncentraci elektronů v plazmatu. Kromě tohoto a dalších přímo aplikovatelných kvantitativních výstupů (korekční faktory pro různé geometrie problému, navržená a otestovaná experimentální řešení, požadavky na design atd.) přináší tato práce také hlubší vhled do interakce elektromagnetického pole a nestandardních materiálů (permitivita menší než 1) nebo efektů v blízkém poli (rozptyl, difrakce, průchod, odraz a jejich vzájemný poměr). Konečně práce diskutuje rozšíření použitelnosti těchto klasických metod na podmínky, ve kterých se považují za nefunkční (rozměry plazmatu menší než vlnová délka, nadkritické plazma, obálka plazmového jetu s nízkou hustotou, výboje s jiným než Maxwellovým rozdělením elektronů atd.).

Abstract:

This thesis investigates established microwave methods of material and plasma diagnostics and the possibilities for broadening their scope. Compared with other alternative methods, microwave diagnostics features some distinct advantages such as fast (virtually real-time) response, low costs, durable and simple construction, or simple adaptability. The principal beauty of classical microwave diagnostics lies in its analytic theory, which is simple and sufficiently close to reality. Sometimes, however, ``sufficiently close'' is not enough. I.e., such a simplistic approach may lead to significant errors for many plasmas and materials of interest (small scale, complicated topology, strong gradients, high plasma density, etc.). For this reason, these microwave methods were subjected to a closer re-examination using modern electromagnetic numerical modeling. Particular attention is dedicated to the logical and comprehensible development of the model from the most basic one towards the model with a satisfactory level of detail. In the first place, direct results of this research provide means to properly measure material permittivities and consequently the electron concentrations in plasma. Besides this and other directly applicable quantitative results (e.g., correction terms for different geometries, proposed and tested experimental set-ups, design criteria, etc.), the thesis also provides some deeper insights into the interaction of the electromagnetic field with the non-ordinary material (permittivity smaller than 1) or near-field effects (scattering, diffraction, transmission, reflection, and their balance). Finally, the thesis discusses the extension of the established methods to the conditions classically deemed inaccessible (plasma dimensions smaller than the wavelength, overdense plasma, low-density plasma shell around plasma jet, plasmas with non-Maxwellian electron distribution, etc.).

Keywords

fyzika plazmatu, diagnostika plazmatu, mikrovlny, numerické modelování, plasma physics, plasma diagnostics, microwaves, numerical modeling

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 9. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 18. 1. 2022
• Supervisor: prof. Mgr. Vít Kudrle, Ph.D.
• Reader: Ph.D. Evgenia Benova, Carlos Daniel Pintassilgo

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Plasma Physics