In der vorliegenden Arbeit wurden fünf typische Sedimentgesteine, zwei Sandsteine („Grès a Meules“, Fontainebleau), eine Kreide und zwei Kalksteine (Tuffeau, Vuillicin) im Hinblick auf ihre Porosität, Mineralbestand und Transporteigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen untersucht. Das Ziel der Arbeit bestand zuerst in der Bestimmung von Standardabweichungen Strukturparameters und in der Aufklärung von Zusammenhängen zwischen den verschiedenen Messergebnissen. Mineralzusammensetzung und Transporteigenschaften Mehrere Zusammenhänge mit Hilfe von Wasser- und Quecksilberporosimetrie, Gasadsorption, Computertomographie, Licht- und Elektronmikroskopie, Wasseraufnahme- und Permeabilitätsmessungen, und mit Hilfe von Porenmodellen konnten nachgewiesen werden. Insbesondere wurde der Einfluss von Tonmineralien auf die Porenstruktur, die Permeabilität und die kapillare Wasseraufnahme nachgewiesen. Der Einfluss der Porenstrukturparameter auf die Wasser- und Gastransporteigenschaften wurde am Beispiel ausgewählter Sedimentgesteine ebenfalls nachgewiesen. Auf der Basis der experimentellen Ergebnisse wurden für die einzelnen Sedimentgesteine typische Porenmodelle entwickelt, die den Zusammenhang zwischen Porenstruktur im weitesten Sinne und den Transporteigenschaften bezüglich Wasser und Gasen wiedergeben. Ein wichtiger Aspekt der Arbeit war die Fragestellung, ob ausgewählte Sedimentgesteine als Referenz- bzw. Standardmaterialien für die Bewertung von Messverfahren oder von anderen Geomaterialien dienen können. Dazu wurden umfassende Homogenitätsuntersuchungen durchgeführt. Es zeigte sich, dass eine Gesteinsart (Vuillecin-Kalkstein) unabhängig von der Probengröße inhomogen war und daher in keinem Falle als Geo-Standard in Betracht kommen kann. Bei den anderen hier untersuchten Sedimentgesteinen wurde gefunden, dass sie für Messverfahren, die ein relativ großes Probenvolumen (> 15 cm3) benötigen (z. B. die Wasserporosimetrie oder die Kapillaraufstiegsmethode an Bohrkernen) als hinreichend homogen bezüglich des Einsatzes als mögliche Geo-Referenzmaterialien einzustufen sind. Damit könnten sie u. a. zur Entwicklung oder Überprüfung z. B. von Modellen für Transporteigenschaften von Geomaterialien oder als Untersuchungsmaterial für Ringversuche verwendet werden. Im Falle von Messverfahren, die ein kleineres Probenvolumen (weniger als 2 oder 3 cm3) voraussetzen, beispielsweise die Gasadsorption oder die Quecksilberporosimetrie, war die gefundene Homogenität aller fünf hier untersuchten Sedimentgesteine nicht mehr ausreichend, um als Kandidatenmaterial für eine Referenzmaterial-Zertifizierung zu dienen. Dies spiegelte sich deutlich in den wesentlich größeren Streuungen der Messresultate gegenüber "synthetischen" zertifizierten Referenzmaterialien für die Gasadsorption und die Hg-Porosimetrie wieder. Damit entfällt auch ein möglicher Einsatz für die Kalibrierung von Messapparaturen oder für Methodenvalidierungen. / In this study, five typical sedimentary rocks, two sandstones (Fontainebleau, “Grès à Meules”), a chalk and two limestones (tuffeau, Vuillecin) were analyzed with regards to their porous structure, mineral structure and fluid transport properties. The aim of this study was first to assess the different characteristics of the rocks regarding their variations and their inter-dependences. Relationships were established using techniques such as water and mercury porosimetry, gas adsorption, X-ray computed tomography, optical and electron microscopy, and performing gas permeability and water imbibition measurements and pore model analyses. In particular, the role of clay mineral concentrations was exposed and the porous structure parameters, on which the fluid transport properties significantly depend, were identified regarding the degree of their influence. Furthermore, new ideal pore models were schematized. These models describe the fluid transport behaviours of the rocks either for gas flow or water imbibition. The second main goal was to express if or not these geomaterials could become useful reference materials or standards. It was shown that the degrees of homogeneity of the rocks were low in comparison with any existing certified reference materials, which are industrially synthesized. For this major reason, the possibilities of the elaboration of useful reference values using the rocks were found to be restraint. For instance, it was evident that the Vuillecin limestone had a too low homogeneity degree to be reasonably used in any way as reference material. The variations of many structure parameters of the other rocks were low for big samples (over 15 cm³). In this case, standards could be elaborated using methods such as the water porosimetry or the capillary water imbibition kinetics. Such standards would be useful in the field of geomaterial research for qualitative inter-comparisons and for the control or the development of pore models applied to the analysis of fluid transport properties. For small sample volumes (generally below 2 or 3 cm³) measured using techniques such as mercury porosimetry or gas adsorption, the accuracy of the structure parameters was too low and the rocks were found to be unsuitable for elaborating reference or standard values in the aim of the calibrating instruments, testing the efficiency of apparatus or validating new methods.

Obwohl Wasserstoff omnipräsent ist, ist seine Analytik anspruchsvoll und es stehen nur wenige analytische Verfahren zur Auswahl. Unter diesen nimmt die auf einer Kernreaktion von Wasserstoff und Stickstoff basierende N-15-Methode einen herausragenden Platz ein. Sie liefert eine ortsaufgelöste Wasserstoffkonzentration bis in den ppm-Bereich in oberflächennahen Schichten (kleiner 2 µm). Gegenstand der Arbeit sind die Darstellung der Theorie der N-15-Kernreaktionsanalyse (NRA), des experimentellen Aufbaus des entsprechenden Strahlrohrs am Ionenbeschleuniger der BAM und der Auswertung der Messergebnisse. Ziel ist die erstmalige Charakterisierung eines Referenzmaterials für die H-Analytik auf Basis von amorphen Silizium (aSi) auf einem Si[100]-Substrat. International wird von den metrologischen Instituten NIST [REE90] und IRMM [VAN87] je ein Referenzmaterial für die Heißextraktion in Form von Titanplättchen angeboten. Diese sind aber für die oberflächennahen Verfahren (NRA, ERDA, GDOES, SIMS) nicht nutzbar, da die oberflächennahe Konzentration von Wasserstoff in Titan nicht konstant ist. Die Homogenität der mittels CVD abgeschiedenen aSi:H-Schichten wurde untersucht. Dazu wurden pro Substrat für ca. 30 Proben die Wasserstofftiefenprofile gemessen, mittels eines innerhalb der Arbeit entstandenen Programms entfaltet und der statischen Auswertung unterzogen. Das Ergebnis waren Mittelwert und Standardabweichung der Wasserstoffkonzentration, sowie ein Schätzer für den Beitrag der Inhomogenität zur Meßunsicherheit. Die Stabilität des potentiellen Referenzmaterials wurde durch die Konstanz der Ergebnisse von Wiederholtungsmessungen der Wasserstoffkonzentrtion während der Applikation einer hohen Dosis von N-15 Ionen bewiesen. In einem internationalen Ringversuch wurde die Rückführbarkeit der Messergebnisse nachgewiesen. Teilnehmer waren 13 Labore aus 7 Ländern. Eingesetzt wurden N-15 und F-19 NRA, ERDA und SIMS. Besonderer Beachtung wurde der Bestimmung der Messunsicherheiten gewidmet. Für die Charakterisierung der aSi:H-Schichten wurden neben der NRA die Weißlichtinterferometrie, Ellipsometrie, Profilometrie und Röngenreflektometrie, sowie die IR- und Ramanspektroskopie genutzt. Die Stöchiometrie des eingesetzten Standardmaterials Kapton wurde mittels NMR-Spekroskopie und CHN-Analyse überprüft. [VAN87] Vandendriessche, S., Marchandise, H., Vandecasteele, C., The certification of hydrogen in titanium CRM No318, Brüssel-Luxembourg,1987 [REE90] Reed, W.P., Certificate of Analysis SRM 352c, Gaithersburg, NIST, 1990

Obwohl Wasserstoff omnipräsent ist, ist seine Analytik anspruchsvoll und es stehen nur wenige analytische Verfahren zur Auswahl. Unter diesen nimmt die auf einer Kernreaktion von Wasserstoff und Stickstoff basierende N-15-Methode einen herausragenden Platz ein. Sie liefert eine ortsaufgelöste Wasserstoffkonzentration bis in den ppm-Bereich in oberflächennahen Schichten (kleiner 2 µm). Gegenstand der Arbeit sind die Darstellung der Theorie der N-15-Kernreaktionsanalyse (NRA), des experimentellen Aufbaus des entsprechenden Strahlrohrs am Ionenbeschleuniger der BAM und der Auswertung der Messergebnisse. Ziel ist die erstmalige Charakterisierung eines Referenzmaterials für die H-Analytik auf Basis von amorphen Silizium (aSi) auf einem Si[100]-Substrat. International wird von den metrologischen Instituten NIST [REE90] und IRMM [VAN87] je ein Referenzmaterial für die Heißextraktion in Form von Titanplättchen angeboten. Diese sind aber für die oberflächennahen Verfahren (NRA, ERDA, GDOES, SIMS) nicht nutzbar, da die oberflächennahe Konzentration von Wasserstoff in Titan nicht konstant ist. Die Homogenität der mittels CVD abgeschiedenen aSi:H-Schichten wurde untersucht. Dazu wurden pro Substrat für ca. 30 Proben die Wasserstofftiefenprofile gemessen, mittels eines innerhalb der Arbeit entstandenen Programms entfaltet und der statischen Auswertung unterzogen. Das Ergebnis waren Mittelwert und Standardabweichung der Wasserstoffkonzentration, sowie ein Schätzer für den Beitrag der Inhomogenität zur Meßunsicherheit. Die Stabilität des potentiellen Referenzmaterials wurde durch die Konstanz der Ergebnisse von Wiederholtungsmessungen der Wasserstoffkonzentrtion während der Applikation einer hohen Dosis von N-15 Ionen bewiesen. In einem internationalen Ringversuch wurde die Rückführbarkeit der Messergebnisse nachgewiesen. Teilnehmer waren 13 Labore aus 7 Ländern. Eingesetzt wurden N-15 und F-19 NRA, ERDA und SIMS. Besonderer Beachtung wurde der Bestimmung der Messunsicherheiten gewidmet. Für die Charakterisierung der aSi:H-Schichten wurden neben der NRA die Weißlichtinterferometrie, Ellipsometrie, Profilometrie und Röngenreflektometrie, sowie die IR- und Ramanspektroskopie genutzt. Die Stöchiometrie des eingesetzten Standardmaterials Kapton wurde mittels NMR-Spekroskopie und CHN-Analyse überprüft. [VAN87] Vandendriessche, S., Marchandise, H., Vandecasteele, C., The certification of hydrogen in titanium CRM No318, Brüssel-Luxembourg,1987 [REE90] Reed, W.P., Certificate of Analysis SRM 352c, Gaithersburg, NIST, 1990

Die Herstellung von homogenen Referenzmaterialien ist für die ortsaufgelöste Festkörperanalytik von besonderer Bedeutung. Eine neue Methode zur Herstellung von Referenzmaterialien auf Polymerbasis unter Verwendung von Metallacetylacetonaten wurde entwickelt. Die Elemente Al, Ca, Cd, Co, Cr, Fe, La, Mg, Pb, Sr und Zn wurden im Spurenbereich eingebracht. Mit µRFA, LA-ICP-MS und LIBS konnte die homogene Elementverteilung in den auf diese Weise hergestellten Polymerschichten und deren Anwendbarkeit zur Kalibrierung von quantitativen Analysen gezeigt werden. Aufgrund der guten Stapelbarkeit der Polymerschichten, konnten diese auch für tiefenaufgelöste Messungen mittels CµRFA erfolgreich eingesetzt werden. Anhand der hergestellten Materialien wurden die Einflüsse verschiedener Messbedingungen bei LA-ICP-MS-Analysen auf das Untersuchungsergebnis evaluiert. Für die Auswertung und Visualisierung der Elementverteilungen sowie deren Kombination mit molekülspektrometrischen Daten wurden, passende Pythonskripte entwickelt.:1 Abkürzungsverzeichnis 2 Einleitung 3 Stand der Forschung 3.1 LA-ICP-MS 3.1.1 Allgemeiner Aufbau 3.1.2 Einflüsse auf das Messergebnis 3.2 Röntgenfluoreszenzanalyse 3.2.1 Allgemeines Prinzip 3.2.2 Besonderheiten der Mikro- und konfokalen Röntgenfluoreszenzanalyse 3.3 Referenzmaterialien 3.3.1 Allgemeiner Zweck 3.3.2 Kalibrierstrategien 3.3.3 Etablierte Materialien für matrixangepasste Standards 3.3.4 Referenzmaterialien auf Basis polymerer Kunststoffe 3.3.5 Zusammenfassung 4 Herstellung von Referenzmaterialien auf Basis strahlenhärtender Lacke 4.1 Hinführung zum Thema 4.2 Herstellung der Acetylacetonat-Komplexe 4.3 Einbringen der Komplexe in die Lackschichten und Bestimmung der Homogenität4.3.1 Präparation der Lackschichten 4.3.2 Probensysteme 4.3.3 Homogenitätsbestimmung 4.3.4 Analyse mit NMR 4.4 Kalibrierreihe 4.4.1 μRFA 4.4.2. LA-ICP-MS 4.4.3 Handheld LIBS 4.4.4 Tiefenprofile 4.5 Multischichtsysteme 4.5.1 Tiefenprofilmessungen gestapelter Lackschichten 4.5.2 Anwendbarkeit für die Tiefenkalibrierung 4.5.3 Temperatureinflüsse auf gestapelte Proben 4.6 Zusammenfassung 5 Einfluss verschiedener Messparameter auf das Ergebnis der LA-ICP-MS-Analysen 5.1 Hinführung zum Thema 5.2 Einfluss auf die Gesamtintensität 5.2.1 Gasflussgeschwindigkeiten 5.2.2 Beurteilung der Schussrate 5.3 Einfluss auf das Austragsverhalten 5.3.1 Skript zur Auswertung der Peakform 5.3.2 Auswertung der Peakform 5.4 Ablagerung von Material auf der Probenoberfläche 5.4.1 Analyse der geklebten Proben 5.4.2 Analyse der gestapelten Proben 5.5 Zusammenfassung 6 Etablierung einer Auswerteroutine 6.1 LA-ICP-MS-Mapping 6.1.1 Einlesen der Daten 6.1.2 Offset-Korrektur 6.1.3 Auswerten von Linienmessungen 6.1.4 Auswertung und Darstellung von Mappings 6.1.5 Clusteranalyse 6.2 Datenkombination verschiedener Analysemethoden 6.2.1 Daten der ultrahochauflösenden Molekülmassenspektrometrie 6.2.2 Probenpräparation 6.2.3 Zusammenfügen der Einzeldaten 6.3 CμRFA-Datenverarbeitung 6.3.1 Einlesen der Daten 6.3.2 Subtraktion und Addition 6.3.3 Darstellung der dreidimensionalen Elementverteilung mit MayaVi 6.3.4 Anpassung des dargestellten Volumens 6.3.5 Datenkorrektur mittels Gaußfit 6.4 Zusammenfassung 7 Zusammenfassung und Ausblick 8 Anhang 8.1 Literatur 8.2 zusätzliche Graphiken und Tabellen 8.3 Pythonskripte 8.4 Geräte und Chemikalien 8.4.1 Chemikalienliste 8.4.2 Geräte und Parameter 8.5 Publikationsliste 8.5.1 Artikel in Fachzeitschriften 8.5.2 Patenteinreichung 8.5.3 Konferenzbeiträge 8.6 Lebenslauf