Wegen der zunehmenden Menge an LIBS-Daten von der Marsoberfläche sowie deren speziellen Herausforderungen bei der Analyse untersucht diese Arbeit, wie die Modellierung und Simulation von solchen LIBS-Spektren genutzt werden kann. Das Ziel ist es, Einblicke in die Eigenschaften von LIBS-Plasmen auf dem Mars zu erhalten und Modelle zu entwickeln, die bei der Analyse von realen Missionsdaten helfen können. Die Modellierung basiert sich auf einem stationären Plasma im lokalen thermischen Gleichgewicht (LTE). Das Plasma wird dabei in eine Reihe homogener Zonen unterteilt und Spektren werden mit dem Strahlungstransfer entlang einer eindimensionalen Sichtlinie durch diese Plasmazonen simuliert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass auf LTE basierende Modelle gut auf LIBS-Spektren angewendet werden können, die unter Marsbedingungen gemessen wurden. Für zeitaufgelöste Daten kann die Anpassung eines Zwei-Zonen-Modells verwendet werden, um Einblicke in das Plasma zu erhalten und um die Elementkonzentrationen mit einer höheren Genauigkeit zu bestimmen, als es mit der Saha-Boltzmann-Methode möglich wäre. Allerdings sollten Nicht-Gleichgewichtseffekte in den frühesten und spätesten Phasen der Plasmalebensdauer berücksichtigt werden. Für zeitlich integrierte Spektren, wie sie bei aktuellen Marsmissionen gemessen werden, sind Anpassungen durch ein Zwei-Zonen-Modell aufgrund von zu langen Rechenzeiten nicht durchführbar. Stattdessen kann durch die Methode der spektralen Entmischung eine Überlagerung von Spektren unterschiedlicher Temperaturen und Dichten verwendet werden. Diese Methode ermöglicht keine direkten quantitativen Bestimmungen der Elementkonzentrationen, ist aber ein hervorragendes Werkzeug, um einen Überblick über die große Menge an Informationen zu erhalten, die in den Spektren enthalten sind. / Motivated by existing challenges in analysing LIBS spectra and the increasing quantity of Martian LIBS data, this thesis investigates the modelling and simulation of LIBS spectra for the application to LIBS data in Martian atmospheric conditions. This is done with the aim of providing insights into the characteristics of Martian LIBS plasmas as well as developing tools to assist the analysis of real mission data. The modelling of LIBS spectra is based on a stationary plasma in local thermal equilibrium (LTE). The plasma is then divided into a series of homogeneous zones and spectra are simulated using radiative transfer along a one-dimensional line-of-sight through the plasma zones. The results of this thesis show that spectral modelling based on LTE can be well applied to LIBS data in Martian atmospheric conditions. For time-resolved data, fits of a two-zone plasma model can be used to obtain insights into the plasma as well as improved concentration estimates compared to the Saha-Boltzmann plot method. However, attention to non-equilibrium effects should be given at the earliest and latest stages of the plasma lifetime. For time-integrated spectra, i.e. real mission data, fits of the two-zone model are not feasible due to too long computation times. Instead, a superposition of spectra of different temperatures and densities, i.e. the spectral unmixing method, can be used. Although not directly allowing for quantitative concentration estimates, the method is a great tool to overview the large amount of information contained in the spectra.

Die vorliegende Dissertationsschrift beschreibt Experimente zur Weiterentwicklung der Methode der elektrothermischen Verdampfung mit induktiv gekoppeltem Plasma und optischer Emissionsspektroskopie (ETV-ICP OES). Ziel ist die Analyse der Mobilisierung einzelner Elemente in Verbrennungsgasatmosphären, um so das Verschmutzungs- und Verschlackungspotential von Energierohstoffen abschätzen zu können. Zur Simulation der Atmosphäre wird Sauerstoff zum Argon-Gasstrom der Verdampfungseinheit in verschiedenen Verhältnissen zugesetzt, weshalb einige Bauteile der ETV und alle Methodenparameter angepasst werden müssen. Der Einfluss der Gasatmosphäre sowie des Temperaturprogrammes auf die Freisetzung der Elemente wird anhand von drei Kohlen unterschiedlicher Inkohlung und Mineralstoffanteile untersucht und die Analysenmethode dementsprechend optimiert. Im Anschluss erfolgt die Anwendung der entwickelten Methode auf acht Argonne Premium Kohlen sowie auf verschiedene Biomassen und Klärschlämme.:1 Motivation und Aufgabenstellung 12 2 Stand der Technik 15 2.1 Energierohstoffe 15 2.2 Ansatzbildung und Korrosion im Kraftwerk 17 2.2.1 Ansatzbildungsmechanismen 17 2.2.2 Korrosion 20 2.2.3 Freisetzung von Störkomponenten 21 2.2.3.1 Schwefel 21 2.2.3.2 Chlor 21 2.2.3.3 Alkalien 22 2.2.4 Analysemethoden zur Ermittlung der Freisetzung von Störkomponenten 23 3 Eingesetzte Methoden und Parameter 27 3.1 ETV-ICP OES 27 3.2 Thermodynamische Gleichgewichtsberechnungen 31 4 Methodenentwicklung modifizierte ETV-ICP OES 33 4.1 Anpassung des ETV-Systems an simulierte Prozessbedingungen 34 4.1.1 Auswahl der Gasatmosphären 36 4.1.2 Vergleich Standardrohr und SiC-beschichtetes Rohr 38 4.1.3 Einfluss der Beschichtung der Probentiegel 39 4.1.4 Fazit 42 4.2 Temperaturprogramm 43 4.3 Linienauswahl 44 4.4 Kalibration für quantitative Analysen 46 4.5 Datenbearbeitung 49 4.5.1 Korrekturfaktor für Massenbilanz 50 4.5.2 Argon-Korrektur 51 4.5.3 Intensität und Freisetzungsverlauf 53 4.5.4 Zusammenfassung notwendiger Datenbearbeitung 56 4.6 Einfluss der modifizierten Methode auf die Kohlematrix 56 4.6.1 Probenauswahl und Charakterisierung 57 4.6.1.1 Bestimmung der Bindungsformen von Kalium und Natrium 59 4.6.2 Elementfreisetzungsverhalten – Analyse der Kohleproben 64 4.6.2.1 Mineralreiche Kohle – 4419 64 4.6.2.2 Mineralarme Braunkohle – 3922 73 4.6.2.3 Steinkohlestandard – 1632d 81 4.6.2.4 Sonderfall Chlor 87 4.7 Fehlerbetrachtung 89 4.8 Zusammenfassung der Methodenentwicklung 92 5 Anwendung der Methode 96 5.1 Argonne Premium Kohlen 96 5.1.1 Kalium 98 5.1.2 Natrium 101 5.1.3 Schwefel 103 5.1.4 Zusammenfassung der Analysen an den APCs 106 5.2 Klärschlamm 106 5.2.1 Probenauswahl 107 5.2.2 Kalium 108 5.2.3 Natrium 111 5.2.4 Schwefel 113 5.2.5 Phosphor 115 5.2.6 Zusammenfassung der Klärschlammanalysen 118 5.3 Biomasse 118 5.3.1 Probencharakterisierung 119 5.3.2 Freisetzungsverhalten der Elemente 120 5.3.3 Zusammenfassung der Analysen an den Biomassen 123 5.4 Rückschlüsse der Ergebnisse auf reale Prozesse 124 6 Zusammenfassung und Ausblick 126 7 Anhang 130 7.1 Analysenmethoden zur Probencharakterisierung 130 7.1.1 Brennstoffanalyse 130 7.1.2 Röntgenfluoreszenzspektroskopie 131 7.1.3 Röntgendiffraktometrie 132 7.1.4 Thermische Analysen 134 7.1.5 Weitere Parameter für die FactSageTM-Berechnungen 135 7.2 Zusatzinformationen zur Methodenentwicklung 136 7.2.1 Methodenparameter 136 7.2.2 Probencharakterisierung 140 7.3 Zusatzinformationen zur Anwendung der modifizierten Methode 147 7.3.1 APC 147 7.3.2 Klärschlämme 148 8 Referenzen 150 9 Veröffentlichungsliste 160 10 Verzeichnisse 161 10.1 Abbildungsverzeichnis 161 10.2 Tabellenverzeichnis 166 10.3 Abkürzungsverzeichnis 168 / This dissertation describes the development of a method to analyze the mobilization of individual elements in combustion gas atmospheres with the help of electrothermal evaporation in combination with inductively coupled plasma optical emission spectros-copy (ETV-ICP OES) to estimate the pollution and slagging potential of energy feed-stocks. To simulate the atmosphere, oxygen is added to the argon gas stream of the evaporation unit in different ratios. To that end, some components of the ETV unit and all method parameters have to be adjusted. The influence of the gas atmosphere as well as the temperature program on the release of the elements is investigated on the basis of three coals of different degree of carbonization and mineral content and the analysis method is optimized accordingly. Subsequently, the method is applied to analyze eight Argonne Premium coals as well as various biomasses and sewage sludges.:1 Motivation und Aufgabenstellung 12 2 Stand der Technik 15 2.1 Energierohstoffe 15 2.2 Ansatzbildung und Korrosion im Kraftwerk 17 2.2.1 Ansatzbildungsmechanismen 17 2.2.2 Korrosion 20 2.2.3 Freisetzung von Störkomponenten 21 2.2.3.1 Schwefel 21 2.2.3.2 Chlor 21 2.2.3.3 Alkalien 22 2.2.4 Analysemethoden zur Ermittlung der Freisetzung von Störkomponenten 23 3 Eingesetzte Methoden und Parameter 27 3.1 ETV-ICP OES 27 3.2 Thermodynamische Gleichgewichtsberechnungen 31 4 Methodenentwicklung modifizierte ETV-ICP OES 33 4.1 Anpassung des ETV-Systems an simulierte Prozessbedingungen 34 4.1.1 Auswahl der Gasatmosphären 36 4.1.2 Vergleich Standardrohr und SiC-beschichtetes Rohr 38 4.1.3 Einfluss der Beschichtung der Probentiegel 39 4.1.4 Fazit 42 4.2 Temperaturprogramm 43 4.3 Linienauswahl 44 4.4 Kalibration für quantitative Analysen 46 4.5 Datenbearbeitung 49 4.5.1 Korrekturfaktor für Massenbilanz 50 4.5.2 Argon-Korrektur 51 4.5.3 Intensität und Freisetzungsverlauf 53 4.5.4 Zusammenfassung notwendiger Datenbearbeitung 56 4.6 Einfluss der modifizierten Methode auf die Kohlematrix 56 4.6.1 Probenauswahl und Charakterisierung 57 4.6.1.1 Bestimmung der Bindungsformen von Kalium und Natrium 59 4.6.2 Elementfreisetzungsverhalten – Analyse der Kohleproben 64 4.6.2.1 Mineralreiche Kohle – 4419 64 4.6.2.2 Mineralarme Braunkohle – 3922 73 4.6.2.3 Steinkohlestandard – 1632d 81 4.6.2.4 Sonderfall Chlor 87 4.7 Fehlerbetrachtung 89 4.8 Zusammenfassung der Methodenentwicklung 92 5 Anwendung der Methode 96 5.1 Argonne Premium Kohlen 96 5.1.1 Kalium 98 5.1.2 Natrium 101 5.1.3 Schwefel 103 5.1.4 Zusammenfassung der Analysen an den APCs 106 5.2 Klärschlamm 106 5.2.1 Probenauswahl 107 5.2.2 Kalium 108 5.2.3 Natrium 111 5.2.4 Schwefel 113 5.2.5 Phosphor 115 5.2.6 Zusammenfassung der Klärschlammanalysen 118 5.3 Biomasse 118 5.3.1 Probencharakterisierung 119 5.3.2 Freisetzungsverhalten der Elemente 120 5.3.3 Zusammenfassung der Analysen an den Biomassen 123 5.4 Rückschlüsse der Ergebnisse auf reale Prozesse 124 6 Zusammenfassung und Ausblick 126 7 Anhang 130 7.1 Analysenmethoden zur Probencharakterisierung 130 7.1.1 Brennstoffanalyse 130 7.1.2 Röntgenfluoreszenzspektroskopie 131 7.1.3 Röntgendiffraktometrie 132 7.1.4 Thermische Analysen 134 7.1.5 Weitere Parameter für die FactSageTM-Berechnungen 135 7.2 Zusatzinformationen zur Methodenentwicklung 136 7.2.1 Methodenparameter 136 7.2.2 Probencharakterisierung 140 7.3 Zusatzinformationen zur Anwendung der modifizierten Methode 147 7.3.1 APC 147 7.3.2 Klärschlämme 148 8 Referenzen 150 9 Veröffentlichungsliste 160 10 Verzeichnisse 161 10.1 Abbildungsverzeichnis 161 10.2 Tabellenverzeichnis 166 10.3 Abkürzungsverzeichnis 168

Harte amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten (a-C:H) haben in den letzten Jahrzehnten stark an Bedeutung gewonnen. Diese Art von Hartstoffschichten wird zunehmend für die Reduzierung von Reibung und Verschleiß in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. In der Forschung, aber auch für Kleinserien, werden a-C:H-Schichten üblicherweise mit Hochfrequenzplasmaentladungen abgeschieden. Eine Alternative ist die Plasmaaktivierung mit einer asymmetrisch bipolar gepulsten Spannung im Mittelfrequenzbereich. Auf diese Weise wird eine homogene Beschichtung großer Substratflächen mit qualitativ hochwertigen Schichten ermöglicht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der plasmagestützten Abscheidung von harten a-C:H-Schichten mit mittelfrequenzgepulsten Entladungen. Zur Schichtabscheidung werden Ethin-Argon- und Isobuten-Argon-Gasgemische verwendet. Der Einfluss des Prozessdrucks auf den Abscheideprozess und die Schichteigenschaften wird untersucht. Dazu wurden Argonentladungen und Beschichtungsplasmen mittels optischer Emissionsspektroskopie charakterisiert. Zur Charakterisierung der Schichteigenschaften wurden unter anderem Nanoindentation-Messungen, elastische Rückstreudetektionsanalysen und thermische Desorptionsspektroskopie verwendet. Zur Untersuchung des Einflusses der Ionen auf das Schichtwachstum wird ein Modell zur Identifizierung von Ionenspezies in Beschichtungsplasmen vorgestellt. In Verbindung mit der Messung der Substratströme konnte der Ionenanteil am Schichtwachstum bestimmt werden. Ein weiterer Teil der vorliegenden Arbeit untersucht ein Hybridverfahren, in dem die mittelfrequenzgepulste Entladung mit einer zusätzlichen ECR-Entladung kombiniert wird. Es wird gezeigt, dass durch dieses Hybridverfahren eine deutliche Steigerung der Abscheiderate harter a-C:H-Schichten erreicht werden kann. Die abgeschiedenen Schichten wurden zusätzlich bezüglich ihrer Oberflächenstruktur und ihrer Verschleißfestigkeit untersucht.

Harte amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten (a-C:H) haben in den letzten Jahrzehnten stark an Bedeutung gewonnen. Diese Art von Hartstoffschichten wird zunehmend für die Reduzierung von Reibung und Verschleiß in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. In der Forschung, aber auch für Kleinserien, werden a-C:H-Schichten üblicherweise mit Hochfrequenzplasmaentladungen abgeschieden. Eine Alternative ist die Plasmaaktivierung mit einer asymmetrisch bipolar gepulsten Spannung im Mittelfrequenzbereich. Auf diese Weise wird eine homogene Beschichtung großer Substratflächen mit qualitativ hochwertigen Schichten ermöglicht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der plasmagestützten Abscheidung von harten a-C:H-Schichten mit mittelfrequenzgepulsten Entladungen. Zur Schichtabscheidung werden Ethin-Argon- und Isobuten-Argon-Gasgemische verwendet. Der Einfluss des Prozessdrucks auf den Abscheideprozess und die Schichteigenschaften wird untersucht. Dazu wurden Argonentladungen und Beschichtungsplasmen mittels optischer Emissionsspektroskopie charakterisiert. Zur Charakterisierung der Schichteigenschaften wurden unter anderem Nanoindentation-Messungen, elastische Rückstreudetektionsanalysen und thermische Desorptionsspektroskopie verwendet. Zur Untersuchung des Einflusses der Ionen auf das Schichtwachstum wird ein Modell zur Identifizierung von Ionenspezies in Beschichtungsplasmen vorgestellt. In Verbindung mit der Messung der Substratströme konnte der Ionenanteil am Schichtwachstum bestimmt werden. Ein weiterer Teil der vorliegenden Arbeit untersucht ein Hybridverfahren, in dem die mittelfrequenzgepulste Entladung mit einer zusätzlichen ECR-Entladung kombiniert wird. Es wird gezeigt, dass durch dieses Hybridverfahren eine deutliche Steigerung der Abscheiderate harter a-C:H-Schichten erreicht werden kann. Die abgeschiedenen Schichten wurden zusätzlich bezüglich ihrer Oberflächenstruktur und ihrer Verschleißfestigkeit untersucht.