Radiowellen- und Lichtemission während der Kontaktdeformation und beim Partikelbruch

Das Ziel des Projektes besteht in der Untersuchung von Mikroprozessen während der mechanischen Beanspruchung von einzelnen Partikeln und Partikelschichten. Durch diese Beanspruchung werden Mikrobrüche an den Kontaktstellen zwischen den Partikeln, Reibungseffekte und Deformation von Partikeln hervorgerufen. Die grundlegenden physikalischen Mikroprozesse, welche diesen Prozessen entsprechen, lassen sich unterscheiden. Die charakteristische Dauer dieser Mikroprozesse liegt im Mikro- und Nano-Sekunden-Bereich. Es soll eine Methode entwickelt werden, um diese Prozesse mit einer entsprechenden zeitlichen Auflösung aufzuzeichnen. Um dies zu realisieren werden die Partikel mit intensiven Mikrowellen bestrahlt und die reflektierte Strahlung wird analysiert. Die reflektierte Strahlung besteht aus drei Komponenten, welche unterschiedlichen Mikroprozessen zugeordnet werden können. Der zeitliche Verlauf und spezifische Frequenzen der Strahlung sind charakteristische Merkmale dieser grundlegenden Mikroprozesse.

Zahlreiche Mikrobrüche finden in den Kontaktstellen der Partikeln statt. Die dabei emittierten Elektronen werden durch das elektrische Feld der einfallenden Mikrowelle zu harmonischen Schwingungen angeregt. Da diese Oszillation eine beschleunigte Bewegung ist, strahlen die Elektronen die Energie in Form einer elektromagnetischen Welle in der Frequenz der einfallenden Mikrowelle aus. Es findet eine Thomson Streuung der einfallenden Mikrowelle statt. Bei der Kollision mit Luftmolekülen, welche in den neu entstandenen Riss aus der ihn umgebenden Luft eindringen, werden die Elektronen absorbiert, so dass die Thomson-Streuung nur in wenigen Mikrosekunden stattfinden kann. Dabei entsteht ein Mikrowellenimpuls in dem Frequenzbereich der einfallenden Mikrowelle mit einer charakteristischen Dauer von wenigen Mikrosekunden. Dieses ist ein charakteristisches Merkmal für Mikrobrüche.
Während der Verdichtung der Partikelschicht findet eine starke Reibung zwischen den Partikeln statt. Dieser Prozess wird von einer intensiven Elektronenemission begleitet. Dabei finden zahlreiche Mikrogasentladungen unter der Wirkung der einfallenden Mikrowellen an den Kontaktstellen statt. In diesem Fall entstehen mehrere Mikrowellenimpulse in einem breitbandigen Frequenzbereich mit einer charakteristischen Dauer von wenigen Nanosekunden. Dies ist ein charakteristisches Merkmal für Reibungsprozesse. Die dritte, niederfrequente Komponente des Signals, wird durch die Schichtdeformation verursacht. Die charakteristische Zeit beträgt in diesem Fall einige Millisekunden.
Anhand dieser Merkmalle lassen sich die überlagernden Mikroprozesse von einander trennen und als Einzelprozesse betrachten. Eine Verifikation dieser Messmethode wird mittels einer DEM-Simulation von Kontaktverformungsprozessen durchgeführt.