Transport geladener Partikel in elektrischen Wanderfeldern

Diese Arbeit befasst sich mit einem Verfahren zum Transport elektrisch geladener Partikel, dessen Grundprinzip dem einer Magnetschwebebahn ähnelt, nur mit dem Unterschied, dass die Teilchen nicht mittels eines magnetischen sondern mit Hilfe eines wandernden elektrischen Wechselfeldes transportiert werden. Gegenüber herkömmlichen Transportsystemen besitzt das Verfahren den Vorteil, dass es ohne mechanisch bewegte Teile auskommt. Die Transportrichtung sowie die Geschwindigkeit der Partikel kann durch die Signalform, die Amplitude und die Frequenz der Generatorspannungen gesteuert werden. Eine sehr Erfolg versprechende Anwendung der Methode ist der Transport von Tonerpartikeln in xerografischen Druckverfahren. In der vorliegenden Arbeit wird diese als " traveling wave toner transport"~bezeichnete Applikation zunächst experimentell untersucht. Hierbei werden erstmals elektrisch leitfähige Tonerpartikel verwendet. Insbesondere wird der in der Literatur bislang wenig untersuchte, jedoch experimentell beobachtete Rückwärtstransport der Teilchen studiert. Im Anschluss werden analytische und numerische Verfahren vorgestellt, mit denen das elektrische Feld der Transportvorrichtung berechnet werden kann. Die mathematische Zerlegung des wandernden elektrischen Wechselfeldes in hin- und rücklaufende Wellen wird eingehend behandelt. Hierauf aufbauend werden Möglichkeiten zur Optimierung des Transportsystems diskutiert. Maßnahmen zur Verbesserung der Konstruktion der Transportvorrichtung sowie zur Optimierung der Generatorspannungen werden untersucht. Als ein eigenständiges Problem wird dabei die Approximation cosinusförmiger Ansteuerspannungen diskutiert. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet die physikalische Modellierung des Teilchentransports, wofür zunächst klassische Einteilchen-Modelle eingesetzt werden. Erstmalig werden dabei Kriterien definiert, um die verschiedenen Modi der Teilchenbewegung eindeutig zu klassifizieren. Es werden mathematische Algorithmen vorgestellt, mit denen insbesondere die Grenzen der Parameterbereiche der einzelnen Modi berechnet werden können. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die untersuchten Einteilchen-Modelle das prinzipielle Problem aufweisen, dass sie die in der Praxis auftretenden Wechselwirkungen mit anderen Teilchen vernachlässigen. Die Simulationsergebnisse weichen daher zum Teil erheblich von den experimentellen Beobachtungen ab. Zur Lösung dieses Problems wurde ein neues Mehrteilchen-Modell entwickelt, das sowohl Stoßprozesse zwischen den Teilchen als auch Raumladungseffekte berücksichtigt. Hiermit lässt sich eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten erzielen.