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Multipol-Resonanz-Sonde

Es ist der charakteristische Peak in ihrer Resonanzkurve, der industrielle Plasmadiagnostik langfristig revolutionieren könnte. Denn die Multipol-Resonanz-Sonde macht sichtbar, was bislang häufig verborgen bleibt: Mit ihrer einzigartigen geometrischen und elektrischen Symmetrie gibt sie präzise über die Elektronendichte im Plasma Auskunft. Zwölf Forscher unterschiedlicher Lehrstühle der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Ruhr-Universität treiben diese Entwicklung seit drei Jahren gemeinsam voran – von der grundlegenden theoretischen Idee hin zum patentierten Messinstrument.

„Spätere Einsatzgebiete unserer Sonde liegen beispielsweise im Bereich der optischen Technologien, der Halbleiterindustrie oder der Herstellung von Solarzellen“, berichtet Jens Oberrath, der am Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik promoviert. Noch ist die Branche auf externe Steuerparameter zur Kontrolle des Produktionsprozesses angewiesen, die aber nur indirekt Aufschluss über das Verhalten des Plasmas geben. „Eine zielgerichtete Steuerung des Plasmas ist dadurch kaum möglich, denn es fehlt die Möglichkeit, Plasmen schnell und eindeutig zu charakterisieren“, so Oberrath.

Kostengünstiges Monitoring-Tool

detail Diese Lücke soll in Zukunft die Multipol-Resonanz-Sonde schließen, die sich eine grundlegende Eigenschaft von Nieder- und Mitteldruckplasmen zunutze macht: Angeregt durch Hochfrequenzsignale geraten die Elektronen im Plasma in ausgeprägte Schwingungen, die sich gut messen lassen. Der Sondenkopf besteht zurzeit aus zwei voneinander isolierten Halbkugeln aus Messing mit einem Durchmesser von sechs Millimetern. Beide sind mit den Polen einer Hochfrequenzzuleitung verbunden, die zugleich als Halterung dient. Den inneren Teil ummantelt eine dielektrische Außenhaut aus Glas, die vor Störungen reaktiver Plasmen schützt. Zukünftig soll die Multipol-Resonanz-Sonde fest installiert als kostengünstiges Monitoring-Tool in vielen Produktionsstätten im Dauereinsatz sein.

Symmetrischer Sondenkopf

„Das symmetrische Sondendesign ermöglicht erstmals eine stabile und kalibrationsfreie Auswertung“, erklärt Tim Styrnoll vom Lehrstuhl für Allgemeine Elektrotechnik und Plasmatechnik. „Mit Hilfe eines mathematischen Modells erhalten wir so detaillierte Informationen über die Beschaffenheit eines Plasmas, die sich in der für unser Verfahren typischen Resonanzkurve widerspiegeln.“ Von der ersten Idee bis zur aktuellen Testphase mit Messungen im Plasma-Reaktor sind mittlerweile fünf Jahre vergangen. „Beeindruckend ist das überaus erfolgreiche Zusammenspiel aller Disziplinen in den einzelnen Entwicklungsstadien“, so Styrnoll. Eine große Motivation sei sicherlich auch die Tatsache, dass die praktische Umsetzung von Anfang an bestens funktioniert habe.

Forschungsverbund PluTO

An der Multipol-Resonanz-Sonde sind die Lehrstühle für Theoretische Elektrotechnik (Prof. Dr. Ralf Peter Brinkmann), Elektronische Schaltungstechnik (Prof. Dr.-Ing. Thomas Musch), Hochfrequenzsysteme (Prof. Dr.-Ing. Ilona Rolfes) sowie Allgemeine Elektrotechnik und Plasmatechnik (Prof. Dr.-Ing. Peter Awakowicz) beteiligt. Im Forschungsverbund PluTO (Plasma und optische Technologien) erforschen sie zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik in Jena, dem Laser Zentrum Hannover, der Universität Bremen, dem Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie Greifswald sowie Partnern aus der Industrie wie sich Plasma auf Schichtbildungsprozesse auswirkt.


Fotos: Christian Schilling, Text: Meike Klinck