Phase Separation in Dusty Plasmas under Microgravity and Dust-Density Waves under Strong Magnetic Fields

Three-dimensionally extended dusty plasmas containing mixtures of two particle species of different size have been investigated on parabolic flights. To distinguish the species even at small size disparities, one of the species is marked with a fluorescent dye, and a two-camera video microscopy setup is used for position determination and tracking. Phase separation is found even when the size disparity is below 5%. Particles are tracked to obtain the diffusion flux, and resulting diffusion coefficients are in the expected range for a phase separation process driven by plasma forces. Additionally, a measure for the strength of the phase separation is presented that allows to quickly characterize measurements. There is a clear correlation between size disparity and phase separation strength. Molecular dynamics simulations of binary dusty plasmas have been performed and their behavior with respect to the phase separation process has been analyzed. Here as well, it is found that even the smallest size disparities lead to phase separation. The separation is due to the force imbalance on the two species and the separation becomes weaker with increasing mean particle size. In the second part of the thesis, Experiments on self-excited dust-density waves under various magnetic fields have been performed. For that purpose, different dust clouds of micrometer-sized dust particles were trapped in the sheath of a radio frequency discharge. The self-excited dust-density waves were studied for magnetic field strengths ranging from 0 mT to about 2 T. It was observed that the waves are very coherent at the lowest fields (B 1 T), the wave activity is diminished. The corresponding wave frequencies and wavenumbers have been derived. From the comparison of the measured wave properties and a model dispersion relation, the ion density and the dust charge are extracted. Both quantities show only little variation with magnetic field strength.Dreidimensional ausgedehnte staubige Plasmen, welche zwei Partikelsorten leicht unterschiedlicher Größe enthalten, wurden auf Parabelflügen untersucht. Um die zwei Spezies bereits bei kleinen Größendifferenzen unterscheiden zu können, war eine der Spezies mit einem fluoreszierenden Farbstoff markiert. Ein Zweikamera-Videomikroskopieaufbau erlaubt die Erkennung und Verfolgung der Partikel. Entmischung trat bereits bei Größendifferenzen unterhalb von 5 % auf. Partikel wurden verfolgt, um den Diffusionsfluss zu bestimmen. Die sich daraus ergebenden Diffusionskoeffizienten liegen im erwarteten Bereich einer durch Plasmakräfte verursachten Entmischung. Außerdem wird ein Maß für die Intensität der Entmischung vorgestellt, welches es erlaubt Datensätze schnell zu charakterisieren. Es existiert eine eindeutige Korrelation zwischen Größendifferenz und Intensität der Entmischung. Es wurden Molekulardynamiksimulationen von binären staubigen Plasmen durchgeführt und im Hinblick auf das Entmischungsverhalten analysiert. Auch hier führten bereits die kleinsten Größenunterschiede zur Entmischung. Die Entmischung wird auf das Kraftungleichgewicht auf die beiden Partikelsorten zurückgeführt und sie wird schwächer, je größer die mittlere Partikelgröße ist. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden Experimente an selbsterregten Staubdichtewellen unter verschiedenen Magnetfeldstärken durchgeführt. Dazu wurden verschiedene Staubwolken aus mikrometergroßen Partikeln in der Randschicht einer Hochfrequenzentladung eingefangen. Die selbsterregten Staubdichtewellen wurden für Magnetfeldstärken zwischen 0 mT bis etwa 2 T untersucht. Es wurde beobachtet, dass die Wellen bei den kleinsten Feldstärken (B 1 T) ist die Wellenaktivität schließlich unterdrückt. Es wurden Frequenzen und Wellenzahlen bestimmt. Aus dem Vergleich der gemessenen Größen mit einer Modell-Dispersionsrelation wurden Ionendichte und Staubladung bestimmt. Beide Größen hängen nur wenig von der magnetischen Feldstärke ab