Geschichte der Plasmaphysik an der TH Wildau
Zur Geschichte des IPLT der TFHW
Aus den Wissenschaftlichen Beiträgen 2/1998 der Technischen Fachhochschule Wildau geben wir Auszüge aus den Artikeln:
Das Institut für Plasma- und Lasertechnik an der TFH Wildau
- Entwicklung und Kooperation mit anderen Einrichtungen
Harald J. Beyer, Dr.-Ing. Andreas Harendt, Karin Huget, Dr. Tobias Koschlig, Prof. Dr. Siegfried Rolle, Dr. Werner Ross, Hans Volkmann
und
Das Institut für Plasma- und Lasertechnik der TFH Wildau
H. Beyer, A. Harendt, T. Koschlig, S. Rolle, W. Roß, H. Volkmann, Gewidmet H. Gündel + 12.6.1996
wieder.
Das Institut für Plasma- und Lasertechnik an der TFH Wildau- Entwicklung und Kooperation mit anderen Einrichtungen
Harald J. Beyer, Dr.-Ing. Andreas Harendt, Karin Huget, Dr. Tobias Koschlig, Prof. Dr. Siegfried Rolle, Dr. Werner Ross, Hans Volkmann
Die Plasmatechnik gehört mittlerweile zu den Schlüsseltechnologien des nachhaltigen Wachstums und der Bewältigung des Strukturwandels der deutschen Wirtschaft. Plasmaverfahren sind zur Voraussetzung für die Herstellung von Chips für Hochleistungscomputer geworden. Mit Plasmatechnologien werden Werkstoffoberflächen veredelt und Materialien mit neuen Eigenschaften erzeugt. Es gibt Plasmalampen, die ohne Verwendung von Quecksilber hohe Lichtausbeuten und gute Farbwiedergabe erreichen. Auch bei der Entsorgung toxischer Stoffe und von Abfällen kommen Plasmatechnologien zum Einsatz. Das BMBF hat in einer Broschüre die Anwendung und Forschung auf dem Gebiet der Plasmatechnik in Deutschland zusammen gestellt /1/. In Deutschland wird jährlich eine Industrieproduktion von 45 Mrd. € durch die Plasmatechnologie erst ermöglicht. Vor diesem Hintergrund soll die Entwicklung von Forschung und die Ausbildung auf dem Gebiet der Plasmatechnik an der TFH Wildau beschrieben werden.
Die Wurzeln des Institutes reichen weit in die Geschichte der deutschen Plasma- und Lasertechnik zurück. Die Entwicklung der Plasmaphysik wurde vor dem zweiten Weltkrieg hauptsächlich durch Grundlagenuntersuchungen zu Fragen der Leitung des elektrischen Stromes in Gasen, aber auch durch Fragestellungen aus der Lichtquellenindustrie angetrieben. Zentren waren Eindhooven mit der Phillips Forschung und Berlin mit der Osramstudiengesellschaft. Hier war auch Robert Rompe tätig, der in dieser Zeit bedeutende Beträge zur Plasmaphysik geliefert hat. In dieser Zeit wurden die Ellenbaas-Heller-Gleichung aufgestellt, die Saha-Gleichung und die Funken-Gesetze (Rompe, Weizel) formuliert /2/. Mit der Teilung Deutschlands nach Ende des Krieges wurde aus dem Osramwerk an der Oberbaumbrücke das Berliner Glühlampenwerk (BGW). Später erfolgte die Eingliederung des BGW in das DDR-Kombinat NARVA. Aus der Osramstudiengesellschaft wurde das Institut für Strahlungsquellen in Ostberlin.
Als Rompe begann in Berlin in einem Großinstitut Festkörper- und Plasmaphysik zu vereinigen, wurde auch das Institut für Strahlungsquellen dem Zentralinstitut für Elektronenphysik der Akademie der Wissenschaften der DDR (ZIE) angeschlossen. Ein weiteres Zentrum der Plasmaphysik war Jena. Dort entstand unter Leitung von Max Steenbeck ein Forschungsinstitut mit plasmaphysikalischer Ausrichtung. Die Plasmaphysik beschäftigte sich weiterhin mit Lichtquellen und der Wechselwirkung von elektromagnetischen Wellen mit Plasmen. Zur damaligen Zeit schien die gesteuerte Kernfusion ähnlich leicht realisierbar wie die friedliche Nutzung der Kernspaltung. In Jena wurde ein Plasmafokusexperiment aufgebaut und auch in Spreeau bei Berlin wurde für die Kernfusion geforscht. Doch bald musste man erkennen, dass die Kernfusion nur mit erheblichen Aufwand bis zur technischen Nutzung gebracht werden würde. Die Kernfusion wurde daher nur noch in Kooperation mit internationalen Einrichtungen, maßgeblich dem Kurtschatow- Institut in Moskau, betrieben. Hauptsächlich wurden Experimente zur Untersuchung der wandnahen Plasmen und der Plasma-Wandwechselwirkung in Berlin konzipiert und in Tokamak-Experimenten wie T10 und T15 in Moskau durchgeführt.
Im Zentralinstitut für Elektronenphysik, dem nach Steenbecks Tod das Jenaer Institut angegliedert wurde und zu dem auch die unter Rudolf Seeliger berühmt gewordene Schule in Greifswald gehörte, bearbeitete die Plasmaphysik in ihrer ganzen Breite. Rudolf Seeliger wurde durch Johannes Stark nach Greifswald berufen. Seeliger hatte mit einer preisgekrönten Dissertation bei Arnold Sommerfeld in München auf sich aufmerksam gemacht und hat dann über Jahrzehnte das wissenschaftliche Profil in Greifswald geprägt /3, 4/.
Werner Neumann verfasste sein von Rompe und Steenbeck herausgegebenes Buch über die Plasmaspektroskopie /5/, dass noch heute, obwohl sich die experimentelle Technik rasant weiter entwickelt hat, ein viel genutzten Standardwerk der Plasmaphysik geblieben ist. Harald Gündel begann als Schüler von Neumann mit Untersuchungen zur Nutzung von spektralen Strahlungsverteilungen an einer Vielzahl von unterschiedlichen Metallen. Hintergrund der Arbeit war die Suche nach Zusätzen um Farbwiedergabe und Lichtausbeute der Quecksilberhochdrucklampen zu verbessern. Wenig später publizierte er einen Artikel zur Erniedrigung der Ionisierungsenergie /6/. In der amerikanischen Fachliteratur wurde der Effekt mit seinem Namen verbunden. Zusammen mit Werner Ross und Klaus Seliger begann er mit der Entwicklung von Gaslasern. Die Anregung der Laser erfolgte mit einem nichtthermischen Impulsplasma. Besonders erfolgreich war die Entwicklung einer ganzen Familie von Stickstofflasern. Die Laser wurden als Pumpquelle für Farbstofflaser und für Bearbeitungsaufgaben im Mikrometerbereich genutzt und in den Akademiewerkstätten in größerer Stückzahl produziert.
In Jena beschäftigte man sich unter der Leitung von Willi Ebert mit Hochstrombogenentladungen in Edelgasen und Hochfrequenzentladungen in Gold- und Kupferdämpfen- Forschungen, die sich in der Produktion der Edelgasionenlaser in den Carl Zeiss Werken und bei den Metalldampflasern wiederfinden.
Große Beachtung fanden auch die Arbeiten von Klaus Günther und Rainer Radtke zu Natriumhochdruckentladungen für den Betrieb im Kilohertzbereich. Hier wurden Grundlagen für die Ablösung von Quecksilber in Entladungslampen für die Innenraumbeleuchtung gelegt. Bemerkenswert war auch der Aufbau des Plasmatechnikums durch Harry Erbs, der bei NARVA die Natriumhochdrucklampe zur Produktionsreife geführt hatte. Das Technikum lieferte mit modernsten Technologien die Basis für experimentelle Arbeit des Instituts und war darüber hinaus in der Lage, Vorserien und Kleinserien zu produzieren. Ein Beispiel ist ein Strahlungsquelle, die auf einem optisch dichten Xenon-Impulsplasma beruht und mit einer Temperatur von 12000 K als Normalstrahler für die Spektroskopie im ultravioletten Spektralbereich Verwendung fand.
Die deutsche Wiedervereinigung brachte zwar das Ende der Akademie der Wissenschaften der DDR - nach der Evaluierung des ZIE durch eine Kommission des Wissenschaftsrates ergab sich jedoch, dass die große Mehrzahl der Forschungsprojekte in der gesamtdeutschen Forschungslandschaft eine Fortsetzung fand. Die fusionsorientierte Plasmaphysik des ZIE wurde an das Institut für Plasmaphysik der Max Planck Gesellschaft übernommen. Ein Teil der Mitarbeiter arbeitet in Greifswald am Aufbau des neuen Stellerators "Wendelstein 7X" mit. Der andere Teil ist im Bereich Plasmadiagnostik in Berlin unter der Leitung von Gerd Fußmann tätig. In Berlin werden zwei große Experimente betrieben - eine Elektronestrahlionenfalle zur Untersuchung hochangeregter Zustände von Ionen und ein Plasmagenerator, in dem mit einer Hohlkathodenbogenentladung Plasmabedingungen erzeugt werden können, wie sie in den Randschichten von Fusionsmaschinen auftreten.
In Greifswald wurde das Institut für Niedertemperaturplasmaphysik (INP) gegründet. Es entstand aus dem Greifswalder Institutsteil des ZIE und Teilen des Bereiches Niedertemperatur Plasmaphysik aus Berlin. Die Aufbauphase des Institutes wurde von Johannes Conrads geleitet. Das Themenspektrum reicht von der Modellierung anwendungsnaher Plasmen über die Untersuchung reaktiver Molekülplasmen, speziell in ihrer Wechselwirkung mit Festkörperoberflächen, bis hin zu Forschungen an neuartigen Plasmalichtquellen , die in Verbindung mit der Osramforschung durchgeführt werden, und Fragen der Plasmachemie.
In dem Zusammenhang ist interessant, dass eine Reihe von Mitarbeitern der NARVA-Forschung und von Mitarbeitern des ZIE, die an NARVA-Forschungsaufträgen mitgearbeitet haben, jetzt in der Osramforschung tätig sind. Dazu gehören u. a. Klaus Günther, der bis 1990 Forschungsdirektor bei NARVA war und Hans-Georg Kloss, der über viele Jahre auf den Gebiet der Hochdruckplasmen, wie sie in Gasentladungslampen zum Einsatz kommen, und der Plasmaspektroskopie gearbeitet hat.
Harald Gündel, der bis 1988 die NARVA-Forschung geleitet hat und danach Direktor des ZIE war, suchte den Kontakt zur 1991 neu gegründeten Technischen Fachhochschule Wildau. Mit der Unterstützung des Gründungsrektors Winfried Arlt und des Fachbereiches Physikalische Technik wurde 1993 das Institut für Plasma- und Lasertechnik (IPLT) an der TFH Wildau gegründet. Ziel war es, eine forschungs- und praxisnahe Studentenausbildung aufzubauen. Die Mitarbeiter des Instituts forschten im Rahmen von Projekten des BMFT an effizienten Anregungssystemen von Lasern durch Hochfrequenz- und Mikrowellenplasmen /7/ und zu Grundlagen der nichtthermischen Plasmen bei Atmosphärendruck. Gündel begann mit der Ausarbeitung von Vorlesungen und Praktika zur Plasma- und Lasertechnik.
Nach seinem frühen Tod 1996 gelang es der Fachhochschule das Institut weiter zu führen. Die Leitung wurde von Siegfried Rolle übernommen. Den Mitarbeitern des Institutes gelang es die von Gündel begonnenen Aktivitäten weiterzuführen und auszubauen. So wird neben der Vorlesung zur Laserphysik auch eine Vorlesung zur Lasermesstechnik und zur Laseroberflächentechnik angeboten. Auch bei der Plasmatechnik sind Vorlesung und Praktikum mittlerweile fester Bestandteil der Ausbildung. Die Laborausrüstung reicht von Lasersystemen über Diagnostik bis zu einer kommerziellen Plasmaspritzanlage.
Das Institut für Plasma- und Lasertechnik hat während seines Bestehens zu einer Reihe von Institutionen und Firmen, die auf dem Gebiet der Plasma- und Lasertechnik tätig sind, Kooperationsbeziehungen aufgebaut. Diese Kooperationsbeziehungen ermöglichen es der TFH Wildau unmittelbar an modernen Forschungsvorhaben teilzuhaben und damit auch eine Studentenausbildung, die sich an Anforderungen von Forschung und Industrie orientiert, zu ermöglichen. An einigen ausgewählten Beispielen wollen wir die Kooperationsbeziehungen näher darstellen.
Im Jahresbericht des Max-Planck-Institutes für Plasmaphysik für das Jahr 2000 wird über die Zusammenarbeit mit der TFH Wildau berichtet. Anlass war der Abschluss einer Forschungsarbeit für Joint Europeen Torus Undertaking (JET) einem größeren Fusionforschungsexperiment in Groß Britannien. Es ging dabei um Untersuchungen zur Heliumstrahldiagnostik der Plasmarandschicht /8, 9 /. Die Kooperation mit dem IPP begann bereits 1997 mit der gemeinsamen Entwicklung von laserbearbeiteten Teilen für Plasmasonden für das Experiment „Asdex" und plasmagespritzten Bauteilen für den Plasmagenerator „PSI 1". Später wurden gemeinsame Untersuchungen zur Zweistrahl-Laserspeckle-Interferometrie und zur laserinduzierten Fluoreszenz am „PSI 2"durchgeführt. Im Rahmen eines Praktikums am IPP nahm eine Studentin aus Wildau ein Röntgenspektrometer erfolgreich in Betrieb. Während der Laserausbildung erhalten die Studenten der TFH die Möglichkeit die derzeit modernsten Lasersysteme zur Plasmadiagnostik kennenzulernen.
Auch mit dem Institut für Niedertemperaturplasmaphysik (INP) werden enge Beziehungen gepflegt. Gemeinsam wurden laserbearbeitete Titanringe entwickelt, die zum Aufbau von Entladungsgefäßen benötigt werden. Im Bereichskolloquium des INP wurde über die Untersuchungen an der TFH Wildau zum Einsatz einer Koronaentladung für die Beseitigung von Schadgasen berichtet. Auf dem Gebiet der Molekülspektroskopie gab es einen interessanten Erfahrungsaustausch. Im INP wurde ein Programmpaket zur Bestimmung von Gastemperaturen aus Stickstoffmolekülspektren, dass von Mitarbeitern des IPLT mitentwickelt wurde, genutzt.
Das IPLT ist zur Zeit mit dem Teilvorhaben „Experimentell gestützte Modellierung von Gasentladungen" am Verbundvorhaben des BMBF : „Grundlagen der nichtthermischen Plasmachemie zur Abluftreinigung" beteiligt. Einer der Partner des Verbundprojektes ist das Institut für Umwelt Technologien GmbH, mit dem es seit vielen Jahren sehr enge Kooperationsbeziehungen gibt, was sich unter anderem in gemeinsamen Veröffentlichungen zeigt /10, 11/. Auch dort haben schon Studenten der TFH Wildau Praktika absolviert.
Unsere Erfahrungen zeigen, dass das Ausbildungsprofil unserer Studenten sich an den Anforderungen der Forschung und Industrie orientiert. Die Zahl der Studenten, die für Praktika, Diplomarbeiten oder feste Anstellungen gesucht wird, ist aber bei weitem nicht ausreichend. Mit der Ausbildungsrichtung Plasmatechnik wird an der TFH Wildau in der Ausbildung von Ingenieuren Neuland betreten. Die Industrie im Umland wie Rolls Roys Aeroengines , MTU und die Halbleiterindustrie in Frankfurt aber auch die Forschungsinstitute in Berlin und Brandenburg werden verstärkt ihren Bedarf an gut ausgebildeten Ingenieuren anmelden.
/1/ BMBF Publik Plasmatechnik, 2000 oder http://www.bmbf.de
/2/ Walter Weizel, Robert Rompe, Theorie elektrischer Lichtbögen und Funken, Leipzig 1949
/3/http://www.physik.uni-greifswald.de:8888/geschichte/seeliger.html
/4/ http://server-mei.physik.uni-greifswald.de/info/rutscher.html
/5/ Rompe, R., & Steenbeck, M. 1967, Ergebnisse der Plasmaphysik und der Gaselektronik, Band 1 (Akademie Verlag, Berlin)
/6/ H. Gündel, Zustandssumme und effektive Ionisierungsspannung eines Atoms im Plasma und die Möglichkeit ihrer experimentellen Überprüfung, Beiträge aus der Plasmaphysik, 10 (1970) 455 und 11 (1971) 1
/7/ R. Rudolph, H.Beyer, Mikrowellenentladung für CO2-Slab-Laser Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Erlangen, 1994, S.252
/8/ H. Beyer, W. Bohmeyer Annual Report 2000 ,Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, EURATOM Association, S.161
/9/ Harald Beyer, Werner Bohmeyer, Petra Kornejew, Hans-Dieter Reiner, Gerd Fussmann, Comparison of Different Beam Sources for the Helium Beam Diagnostics, ECAMP VII, Berlin, 2001, P 12.16
/10/ H. Beyer, H. Gündel, R. Rudolph, W. Ross, Vergleich von Elektronenstrahl und Impulskoronaentladung für die Zersetzung organischer Gase, 7. Bundesdeutsche Fachtagung für Plasmatechnologie, Bochum, 1996 ,S.41
/11/ D. Berger, H. Beyer, K.-P. Franck, W. Roß, W. Rudolph, Removal of Hydro- and Halocarbons from Off-Gases by Pulse Corona and Electron Beam Discharges, 12th international conference on gas discharges & their applications, Greifswald 1997, S. 394
Das Institut für Plasma- und Lasertechnik der TFH Wildau
H. Beyer, A. Harendt, T. Koschlig, S. Rolle, W. Roß, H. Volkmann
Gewidmet H. Gündel + 12.6.1996
1. Eine kurze Historie
Am 31.12.1996 endete das Wissenschaftler - Integrations - Programm (WIP) in den neuen Ländern. Es war angelegt worden um Teilen der in der Akademie der Wissenschaften der DDR arbeitenden (und mehrfach positiv evaluierten) Wissenschaftlern eine Übergangsphase zu finanzieren, in der sie einerseits ihre Arbeit kontinuierlich fortsetzen konnten und andererseits die Integration in einer Hochschule erfolgen sollte, da die Forschungslandschaft der DDR an die bundesdeutschen Strukturen anzupassen waren. Das vorab auf zwei Jahre angelegte, 1992 gestartete Programm konnte bis 1996 verlängert werden, wenn es gelang, eine Hochschule zu finden, die bekundete, an einer Integration dieser Wissenschaftler in ihrer Einrichtung interessiert zu sein.
Zielhochschule der Wissenschaftler in der von Prof. Dr. sc. H. Gündel gegründeten Gruppe, die sich in Fortführung ihrer langjährigen Forschungstätigkeit auf dem Gebiet der nichtthermischen Plasmen (auch Niedertemperaturplasmen), insbesondere zur Erzeugung von Laserlicht beschäftigte und auch noch beschäftigt, war die TFH Wildau.
Dies war für eine Berliner Einrichtung einerseits ungewöhnlich, lag aber andererseits auch nahe: In der Gründungsphase der TFH Wildau lag ein besonderes Schwergewicht auf den modernen Technologien, was sich auch dadurch ausdrückte, daß es einen Fachbereich Physikalische Technik gab, der heute im Fachbereich Ingenieur - und Wirtschaftsingenieurwesen als Studienrichtung weiter besteht. Da sich für die Zukunft eine immer breitere, auch ingenieurmäßige Anwendung der Plasma - und Lasertechnik abzeichnet und an den Deutschen Fachhochschulen dieses Gebiet (insbesondere die Plasmatechnik) kaum in der Lehre vertreten wird, wurde von beiden Seiten - der TFH Wildau auf der einen und der sich damals noch als WIP AG Niedertemperaturplasmen bezeichnenden Gruppe aus Berlin auf der anderen - eine Integration in einem Institut für Plasma- und Lasertechnik (IPLT) der TFH Wildau im Fachbereich Physikalische Technik angestrebt.
Bis zum 31.12.96 war die Finanzierung der Gruppe aus den Mitteln des WIP gesichert. Darunter auch die räumliche Unterbringung der Lasertechnik und anderer Labore im Gebäude Berlin Hausvogteiplatz, dem ehemaligen Zentralinstitut für Elektronenphysik (ZIE) der AdW. (Die neu einzurichtende Plasmaspritztechnik ist von Anfang an auf dem Gelände der TFH in Wildau aufgebaut worden.)
Mitte 1996 zeichnete sich dann deutlich ab, daß eine Fortsetzung der Arbeit in den Berliner Räumen nicht möglich war. So kam es im Dezember 1996 zum Umzug fast des gesamten Gerätebestandes nach Wildau. Zum 1. April 1997 konnten dann die Wissenschaftler des IPLT ihre Arbeit fortsetzen bzw. mit der Wiedereinrichtung der Labore beginnen, da es ihnen und der TFH Wildau gelungen war, Förderung aus dem HSP III (Land und Bund jeweils zu 50%) für zwei Jahre einzuwerben.