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Abb.1: Blick in das Innere unseres experimentellen Aufbaus.
Unten an den vier Stangen hängt die Elektrodenanordung. Darüber befindet sich ein elektrostatischer Partikeldetektor zur Messung der Ladung und Geschwindigkeit der durch ihn hindurchfliegenden Partikel.
DENEX (Dielectrically Embedded Needle Experiment, Abb.1) ist ein Experiment zur effizienten Kontaktaufladung von Mikropartikeln an feinen Hochspannungselektroden (z.B. Nadeln). An den Oberflächen solch feiner Strukturen (~ 10 µm) sind die elektrischen Feldstärken E besonders groß. Daraus ergeben sich sehr hohe Flächenladungsdichten (σ = ε0 E). Kommen nun leitfähige Mikropartikel mit diesen Oberflächen in Kontakt, so laden sich diese sehr stark auf. Als Folge davon erfahren die nun geladenen Mikropartikel eine sehr starke elektrischen Feldkraft, die sie von der Hochspannungselektrode abstößt.
Das Prinzip der Kontaktaufladung zur Beschleunigung von Mikropartikeln ist nicht neu und wird seit etwa einem halben Jahrhundert in Hypervelocity-Experimenten, z.B. zur Simulation von Mikrometeoriten, verwendet (Dust Accelerator Facility in Heidelberg ).
Das Ziel unserer Experimente ist es, diese Methode effizienter zu machen und den Massendurchfluss zu erhöhen.
Sollte dies gelingen, so wären industrielle Anwendungen zur Oberflächenbehandlung (z.B. ein Strahlverfahren vergleichbar mit Sand- und Glasperlstrahlen oder schnelle Beschichtung) genauso denkbar wie eine Verwendung als elektrostatischer Mikropartikelantrieb für die Raumfahrt.
Abb. 2: (a) Partikelaufladung und Beschleunigung. Das Partikel lädt sich an der Nadelspitze auf und wird dann zur Gegenelektrode beschleunigt. Die so beschleunigten Partikel verlassen das System durch eine Öffnung in der Gegenelektrode.
(b) Theoretische Ladung-zu-Masse-Verhältnisse für ein sphärisches 1-µm-Partikel, wenn die Nadelspitze 24 µm groß ist und auf einem Potential von 20 kV liegt.
Abb. 3: Im Allgemeinen wird ein Partikel nicht an der Nadelspitze aufgeladen, sondern an einer anderen Stelle der Nadeloberfläche. Dort ist die Feldstärke erheblich kleiner, sodass das Partikel viel weniger aufgeladen wird. Deshalb betten wir unsere feinen Elektroden in einem Dielektrikum ein. Auf dem Bild erkennt man eine dünne vertikel orientierte Metallfolie, die in ein Epoxidharz eingegossen wurde. So können die Mikropartikel die Elektrode nur an der sichtbaren Oberfläche berühren, wo das elektrische Feld maximal ist. Das hier als feine Elektrode eine Folie anstelle eines Drahtes verwendet wird, ändert prinzipiell nichts an der Felderhöhung durch fokussierte Feldlinien.
Abb. 4: Berechnete Flächenladungsdichte auf der Oberfläche eines geladenen Mikropartikels beim Ablösen von der mit 20 kV vorgespannten Elektrode.
