Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Berlin.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Clausthal.

A safe storage of radioactive waste in repositories is an important task to protect humans and the environment from radio- and chemotoxicity. Long-term safety assessments predict the behavior of potential environmental contaminants like the actinides plutonium, uranium, or neptunium, in the near and far field of repositories. For such safety assessments, it is necessary to know the migration behavior of the contaminants in the environment, which is mainly dependent on the aquatic speciation, the solubility product of relevant solid phases, and the retardation due to sorption on surrounding minerals. Thus, an investigation of sorption processes of contaminants onto different minerals as well as the derivation of mineral specific surface complexation model (SCM) parameters is of great importance. Feldspar and mica are widely distributed in nature. They occur as components of granite, which is considered as a potential host rock for a repository in Germany, and in numerous other rocks, and thus also in the far field of nearly all repositories. However, their sorption behavior with actinides has only been scarcely investigated until now. In order to better characterize these systems and subsequently to integrate these minerals into the long-term safety assessments, this work focuses on the investigation of the sorption behavior of U(VI), Np(V), and Nd(III) as analogue for An(III) onto the minerals orthoclase and muscovite, representing feldspars and mica, respectively. All investigations were performed under conditions relevant to the far field of a repository. In addition to the extensive characterization of the minerals, batch sorption experiments, spectroscopic investigations, and surface complexation modeling were performed to elucidate the uptake and speciation of actinides on the mineral surfaces. In addition, the influence of microorganisms naturally occurring on the mineral surfaces and the effect of Ca2+ on U(VI) uptake on the minerals was studied. The obtained sorption curves exhibit a similar characteristic for orthoclase and muscovite. As expected Nd(III) shows the highest amount of sorption followed by U(VI) and finally Np(V). With spectroscopic investigations of the aquatic U(VI) solution in presence of Ca2+, the Ca2UO2(CO3)3 complex could be identified. Furthermore, with spectroscopic methods the U(VI) surface species onto orthoclase could be characterized, of which a novel uranium-carbonate surface species was observed. Based on the results of batch experiments and spectroscopic methods new SCM parameters for the sorption of U(VI), Np(V), and Nd(III) onto orthoclase and for Np(V) and Nd(III) onto muscovite could be derived. SCM parameters for U(VI) sorption onto muscovite confirmed earlier investigations. The obtained SCM parameters increase the amount of data available for sorption processes onto feldspar and mica. With this the relevance of feldspars for the sorption of actinides and lanthanides could be shown. Thus, this work contributes to a better understanding of interactions of actinides and lanthanides, in particular U(VI), Np(V), and Nd(III), with mineral phases ubiquitous in the environment. This in turn adds confidence to long-term safety assessments essential for the protection of humans and the environment from the hazards of radioactive waste.

In dieser Arbeit wurden mit der gepulsten Laserdeposition Nd-Fe-B-Schichten abgeschieden. Diese Schichten wurden auf einem geheizten Substrat deponiert und reagierten zu der hart-magnetischen Nd2Fe14B-Phase. Eine weitere Phase in den Schichten ist Neodym aufgrund der überstöchiometrischen Abscheidung von Neodym zur Unterstützung der Phasenbildung von Nd2Fe14B und zur Entkoppelung der Nd2Fe14B-Körner. Für die Mikrostruktur und die magnetischen Eigenschaften der Schichten sind die Grenzflächen zum Substrat und zur Umgebung von entscheidender Bedeutung, da sich die überwiegende Anzahl der Körner im Kontakt mit zumindest einer der beiden Grenzflächen befindet. Aus diesem Grund stand die Untersuchung des Einflusses der Grenzflächen auf das Wachstum, die Mikrostruktur und die magnetischen Eigenschaften der Nd-Fe-B-Schichten im Mittelpunkt der Arbeit. Die Nd-Fe-B-Schichten wurden sowohl auf Chrom- als auch auf Tantalbuffern deponiert. Ein Buffer wurde zur Einstellung der Mikrostruktur und zum Schutz der Nd-Fe-B-Schicht vor Diffusion und Reaktionen mit den Elementen des Substrates benutzt. Die Untersuchungen zeigten, dass der Chrombuffer diese Bedingungen nur unzureichend erfüllt. Die Schichten, die auf dem Tantalbuffer deponiert wurden wachsen bei tiefen Depositionstemperaturen als zusammenhängende Schicht auf und zeigen eine magnetische Vorzugsorientierung mit der magnetisch leichten Richtung parallel zur Substratnormalen. Mit steigender Depositionstemperatur verbessert sich die Ausprägung der magnetischen Vorzugsorientierung bis die vollständige Ausrichtung aller magnetischen Momente parallel zur Substratnormale erreicht ist. Die Topologie dieser Schichten weist einzeln stehende Nd2Fe14B-Körner auf, was durch ein nicht benetzendes Verhalten von Nd2Fe14B auf Tantal erklärt wird. An Schichten, die bei Depositionstemperaturen um 630 °C auf dem Tantalbuffer abgeschieden wurden, konnte das epitaktische Wachstum von Nd2Fe14B nachgewiesen werden. Auch diese Schichten zeigen die Mikrostruktur der isoliert voneinander stehenden Körner. Obwohl die Korngröße dieser Körner etwa 2 µm beträgt, zeigen diese Schichten ein Koerzitivfeld von bis zu 2 T. Diese hohen Werte des Koerzitivfeldes werden durch die Vermeidung des Einbaus von Defekten in den Körnern erreicht. Zusammenfassend können diese Schichten als mikrometergroße und parallel zueinander angeordnete Einkristalle beschrieben werden. Aus diesem Grund konnten mit diesen Schichten Einkristallmessungen wie die Temperaturabhängigkeit der Sättigungspolarisation und des Spinreorientierungswinkels reproduziert werden. Aufgrund des epitaktischen Wachstums von Nd2Fe14B auf Tantal(110) konnte auch auf amorphen Substraten hochremanente und hochkoerzitive Schichten abgeschieden werden. Dafür wird ausgenutzt, dass der Tantalbuffer auch auf einem amorphen Substrat aufgrund der Wachstumauslese texturiert aufwächst und auf den einzelnen Körnern des texturierten Tantalbuffers die Nd2Fe14B-Körner lokal epitaktisch nukleieren können. Die Nd2Fe14B-Körner dieser Schichten sind nicht isoliert voneinander, sondern zeigen eine zusammenhängende Topologie. Diese Schichten besitzen ein Koerzitivfeld von etwa 1,3 T. Da Nd2Fe14B eine leicht oxidierende Phase ist, müssen die Nd-Fe-B-Schichten vor Korrosion geschützt werden. So wurde gezeigt, dass das Koerzitivfeld bei an Luft gelagerten Schichten innerhalb von einer Woche auf die Hälfte des ursprünglichen Wertes abfällt. Dieser Abfall konnte durch Defekte bzw. weichmagnetische Phasen als Ergebnis der Oxidation an den Oberflächen der Nd2Fe14B-Körnern erklärt werden. Die Verhinderung der Oxidation und damit der Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften konnte sehr effektiv, d.h. ohne eine messbare Veränderung der magnetischen Eigenschaften über einen Zeitraum von 6 Monaten; durch die Abscheidung einer Chromdeckschicht erreicht werden.

In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese von Bismut- und Neodymsilanolaten beschrieben. Durch partielle Hydrolyse ausgewählter Bismutsilanolate konnten neue Bismut-oxo-cluster synthetisiert werden. Die Darstellung von heterometallischen Bismut-Neodym-oxo-clustern ausgehend von Bismut- und Neodymsilanolaten wurde untersucht, ergaben jedoch keine definierten Cluster. Das Thermolyseverhalten der Silanolate und Oxo-cluster wurde beschrieben und die erhaltenen Zersetzungsprodukte charakterisiert. Weiterhin wurden in dieser Arbeit Koordinationspolymere von Bismuthalogeniden mit Phosphonsäureestern synthetisiert. Die so erhaltenen ein- und zweidimensionalen Koordinationspolymere wurde in Hinsicht auf ihr Verhalten unter thermischer Belastung untersucht. Das Hauptaugenmerk der vorliegenden Arbeit lag auf der strukturellen Charakterisierung der synthetisierten Verbindungen insbesondere durch Einkristallröntgenstrukturanalysen. Weiter Methoden wie NMR-Spektroskopie in Lösung und im Festkörper, DTA-TG, IR-Spektroskopie, Pulverröntgendiffraktometrie und Elektronenmikroskopie wurden zur Charakterisierung zur Hilfe genommen. / The present thesis deals with the synthesis of bismuth- and neodym silanolates. The partial hydrolysis of selected bismuth silanolates gave a series of novel bismuth-oxo-clusters. The synthesis of heterometallic bismuth-neodymium-oxo-clusters starting from bismuth- and neodymium silanolates has been assayed but did not give defined clusters. In addition the behavior of the silanolates and oxo-clusters towards thermal decomposition has been studied and the decomposition products have been characterized. In the second part of this work the synthesis of coordination polymers starting from bismuth halides and phosphonic acid esters is presented. Several one- and two-dimensional coordination polymers have been synthesized, structurally characterized and analyzed with respect to their thermally induced decomposition. The main focus of this work was to characterize the novel compounds in particular by single crystal X-ray diffraction analysis. Aditionally, NMR spectroscopy in solution and the solid state, DTA-TG, IR spectroscopy, powder X-ray diffraction and SEM-EDX have been used for the characterization of the products.

Optical properties of bismuth borate are measured for the composition range x Bi2O3 (1-x) B2O3, 0.25 < x < 0.65. The refractive indices increase as the bismuth content is increasing. Also the ultraviolet absorption edge was shown to shift to longer wavelengths. From these measurements a generalized Sellmeier formula was derived. Applying heat treatments to the prepared bismuth borate glasses in order to obtain glass ceramics leads in most cases to surface nucleation. It was proved that dopants increase the number of nucleating sites on the surfaces. On erbium-doped samples absorption and luminescence measurements were made. The Judd-Ofelt analysis revealed comparably high Judd-Ofelt coefficients. All coefficients were shown to decrease as the Bi2O3 content increases. The luminescence at 1550 nm reveals a broad and flat band which is narrowing with the increase in Bi2O3 content. The green upconversion was observed and the temporal behavior of the emission at 550 nm was investigated. The absorption and emission spectra of chromium-doped bismuth borate glasses were measured. On surface crystallized glasses, for x = 0.5 Bi2O3 and high chromium content, luminescence of chromate (CrO2-4) ion doped BiBO3 microcrystals was observed. Strontium barium niobate microcrystals embedded in strontium barium borate matrix were obtained by spontaneous nucleation in the melt and rapid quenching. Optical properties of Pb2B5O9Br based glass were also investigated. The heat treatment applied leads to the formation of small nanocrystals inside the glass.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten Einflüsse magnetischer Felder, insbesondere mit hohen Gradienten der magnetischen Flussdichte, auf Korrosionsprozesse am Beispiel Eisen quantifiziert und deren Wirkungsmechanismus erklärt werden. Als ein besonders in technisch relevanten gering konzentrierten sauren wässrigen Lösungen bedeutsamer Effekt wurde eine sekundäre Wirkung der Feldgradientenkraft über den Mechanismus der Wahrung der Ladungsneutralität auf den pH-Wert an der Elektrodenoberfläche identifiziert. Somit konnte ein signifikanter Magnetfeldeinfluss auf die formal ladungstransferkontrollierte Korrosionsreaktion nachgewiesen werden. Um die komplexen Korrosionsvorgänge an mehrphasigen NdFeB-Magneten mit paramagnetischer intergranularer Nd-reicher Phase aufklären zu können, war zunächst eine vertiefte Analyse der freien und anodischen Korrosionsreaktionen des Neodyms notwendig. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse erlauben den Magnetfeldeinfluss bei der Korrosion aufmagnetisierter NdFeB-Magnete zu verstehen.

This work deals with the interaction of intense 100 ps laser pulses with double-layer foil targets, consisting of one dielectric (Mylar) layer and one metallic layer. The diagnostics of the evolving plasmas is done by the means of shorttime interferometry, time-resolved X-ray spectroscopy, and methods of ion dosimetry in polymer nuclear track detectors (CR-39). / Die Arbeit beschäftigt sich mit der Wechselwirkung intensiver 100-ps-Laserpulse eines Nd:YAG-Lasersystems mit Zweischicht-Folientargets, die aus einer dielektrischen Schicht (Mylar) und einer metallischen Schicht bestehen. Die entstehenden Plasmen werden mittels Kurzzeitinterferometrie und zeitaufgelöster Röntgenspektroskopie sowie mit Methoden der Ionendosimetrie in Polymer-Kernspurätzdetektoren (CR-39) untersucht.

A safe storage of radioactive waste in repositories is an important task to protect humans and the environment from radio- and chemotoxicity. Long-term safety assessments predict the behavior of potential environmental contaminants like the actinides plutonium, uranium, or neptunium, in the near and far field of repositories. For such safety assessments, it is necessary to know the migration behavior of the contaminants in the environment, which is mainly dependent on the aquatic speciation, the solubility product of relevant solid phases, and the retardation due to sorption on surrounding minerals. Thus, an investigation of sorption processes of contaminants onto different minerals as well as the derivation of mineral specific surface complexation model (SCM) parameters is of great importance. Feldspar and mica are widely distributed in nature. They occur as components of granite, which is considered as a potential host rock for a repository in Germany, and in numerous other rocks, and thus also in the far field of nearly all repositories. However, their sorption behavior with actinides has only been scarcely investigated until now. In order to better characterize these systems and subsequently to integrate these minerals into the long-term safety assessments, this work focuses on the investigation of the sorption behavior of U(VI), Np(V), and Nd(III) as analogue for An(III) onto the minerals orthoclase and muscovite, representing feldspars and mica, respectively. All investigations were performed under conditions relevant to the far field of a repository. In addition to the extensive characterization of the minerals, batch sorption experiments, spectroscopic investigations, and surface complexation modeling were performed to elucidate the uptake and speciation of actinides on the mineral surfaces. In addition, the influence of microorganisms naturally occurring on the mineral surfaces and the effect of Ca2+ on U(VI) uptake on the minerals was studied. The obtained sorption curves exhibit a similar characteristic for orthoclase and muscovite. As expected Nd(III) shows the highest amount of sorption followed by U(VI) and finally Np(V). With spectroscopic investigations of the aquatic U(VI) solution in presence of Ca2+, the Ca2UO2(CO3)3 complex could be identified. Furthermore, with spectroscopic methods the U(VI) surface species onto orthoclase could be characterized, of which a novel uranium-carbonate surface species was observed. Based on the results of batch experiments and spectroscopic methods new SCM parameters for the sorption of U(VI), Np(V), and Nd(III) onto orthoclase and for Np(V) and Nd(III) onto muscovite could be derived. SCM parameters for U(VI) sorption onto muscovite confirmed earlier investigations. The obtained SCM parameters increase the amount of data available for sorption processes onto feldspar and mica. With this the relevance of feldspars for the sorption of actinides and lanthanides could be shown. Thus, this work contributes to a better understanding of interactions of actinides and lanthanides, in particular U(VI), Np(V), and Nd(III), with mineral phases ubiquitous in the environment. This in turn adds confidence to long-term safety assessments essential for the protection of humans and the environment from the hazards of radioactive waste.

In dieser Arbeit wurden mit der gepulsten Laserdeposition Nd-Fe-B-Schichten abgeschieden. Diese Schichten wurden auf einem geheizten Substrat deponiert und reagierten zu der hart-magnetischen Nd2Fe14B-Phase. Eine weitere Phase in den Schichten ist Neodym aufgrund der überstöchiometrischen Abscheidung von Neodym zur Unterstützung der Phasenbildung von Nd2Fe14B und zur Entkoppelung der Nd2Fe14B-Körner. Für die Mikrostruktur und die magnetischen Eigenschaften der Schichten sind die Grenzflächen zum Substrat und zur Umgebung von entscheidender Bedeutung, da sich die überwiegende Anzahl der Körner im Kontakt mit zumindest einer der beiden Grenzflächen befindet. Aus diesem Grund stand die Untersuchung des Einflusses der Grenzflächen auf das Wachstum, die Mikrostruktur und die magnetischen Eigenschaften der Nd-Fe-B-Schichten im Mittelpunkt der Arbeit. Die Nd-Fe-B-Schichten wurden sowohl auf Chrom- als auch auf Tantalbuffern deponiert. Ein Buffer wurde zur Einstellung der Mikrostruktur und zum Schutz der Nd-Fe-B-Schicht vor Diffusion und Reaktionen mit den Elementen des Substrates benutzt. Die Untersuchungen zeigten, dass der Chrombuffer diese Bedingungen nur unzureichend erfüllt. Die Schichten, die auf dem Tantalbuffer deponiert wurden wachsen bei tiefen Depositionstemperaturen als zusammenhängende Schicht auf und zeigen eine magnetische Vorzugsorientierung mit der magnetisch leichten Richtung parallel zur Substratnormalen. Mit steigender Depositionstemperatur verbessert sich die Ausprägung der magnetischen Vorzugsorientierung bis die vollständige Ausrichtung aller magnetischen Momente parallel zur Substratnormale erreicht ist. Die Topologie dieser Schichten weist einzeln stehende Nd2Fe14B-Körner auf, was durch ein nicht benetzendes Verhalten von Nd2Fe14B auf Tantal erklärt wird. An Schichten, die bei Depositionstemperaturen um 630 °C auf dem Tantalbuffer abgeschieden wurden, konnte das epitaktische Wachstum von Nd2Fe14B nachgewiesen werden. Auch diese Schichten zeigen die Mikrostruktur der isoliert voneinander stehenden Körner. Obwohl die Korngröße dieser Körner etwa 2 µm beträgt, zeigen diese Schichten ein Koerzitivfeld von bis zu 2 T. Diese hohen Werte des Koerzitivfeldes werden durch die Vermeidung des Einbaus von Defekten in den Körnern erreicht. Zusammenfassend können diese Schichten als mikrometergroße und parallel zueinander angeordnete Einkristalle beschrieben werden. Aus diesem Grund konnten mit diesen Schichten Einkristallmessungen wie die Temperaturabhängigkeit der Sättigungspolarisation und des Spinreorientierungswinkels reproduziert werden. Aufgrund des epitaktischen Wachstums von Nd2Fe14B auf Tantal(110) konnte auch auf amorphen Substraten hochremanente und hochkoerzitive Schichten abgeschieden werden. Dafür wird ausgenutzt, dass der Tantalbuffer auch auf einem amorphen Substrat aufgrund der Wachstumauslese texturiert aufwächst und auf den einzelnen Körnern des texturierten Tantalbuffers die Nd2Fe14B-Körner lokal epitaktisch nukleieren können. Die Nd2Fe14B-Körner dieser Schichten sind nicht isoliert voneinander, sondern zeigen eine zusammenhängende Topologie. Diese Schichten besitzen ein Koerzitivfeld von etwa 1,3 T. Da Nd2Fe14B eine leicht oxidierende Phase ist, müssen die Nd-Fe-B-Schichten vor Korrosion geschützt werden. So wurde gezeigt, dass das Koerzitivfeld bei an Luft gelagerten Schichten innerhalb von einer Woche auf die Hälfte des ursprünglichen Wertes abfällt. Dieser Abfall konnte durch Defekte bzw. weichmagnetische Phasen als Ergebnis der Oxidation an den Oberflächen der Nd2Fe14B-Körnern erklärt werden. Die Verhinderung der Oxidation und damit der Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften konnte sehr effektiv, d.h. ohne eine messbare Veränderung der magnetischen Eigenschaften über einen Zeitraum von 6 Monaten; durch die Abscheidung einer Chromdeckschicht erreicht werden.