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Die vorwiegend experimentelle Arbeit befasst sich mit der systematischen Untersuchung von Parametervariationen bei der aktiven Strömungskontrolle mit elektromagnetischen Kräften. An einer angestellten Platte und einem NACA0015-Profil wurde die saugseitige abgelöste Strömung durch das Einbringen einer periodischen wandparallelen Lorentzkraft an der Vorderkante beeinflusst und experimentell mittels zeitaufgelöster Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht. Dabei wurde für verschiedene Anstellwinkel und Reynoldszahlen die Frequenz der Anregung, deren Impulseintrag und der zeitliche Kraftverlauf variiert. Die zeitaufgelöste PIV-Technik erlaubt die zeitliche und räumliche Erfassung der für die Strömungsvorgänge essentiellen Wirbelstrukturen. Die zusätzliche Synchronisierung mit dem Kraftsignal der Anregung und der Auftriebs- sowie Widerstandsmessung zeigt die direkte Abhängigkeit der aerodynamischen Beiwerte von den in der Strömung generierten Wirbelstrukturen. Zusätzlich zur Phasenmittlung wurde für die Untersuchung der Vektorfelder nach Wirbelstrukturen ein Algorithmus entwickelt, welcher auf der kontinuierlichenWaveletanalyse beruht. Durch eine Kalibrierung mit dem theoretischen Wirbelmodell eines Lamb-Oseen Wirbels können charakteristische Daten wie beispielsweise Position, Größe, Geschwindigkeit und Stärke der Wirbelstrukturen ermittelt werden. Die statistische Auswertung der Wirbelcharakteristik mittels des Waveletalgorithmus liefert einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Wirkung der Anregung auf die Strömungsform und ermöglicht somit die Wirkung bei unterschiedlichen Parametern der Anregung direkt zu evaluieren. Als weitere Methode die Daten auf wesentliche Informationen zu untersuchen dient die Orthogonalmodenzerlegung. Angewandt auf die Wirbelstärke liefert sie enstrophieoptimale Moden der Strömung. Die enstrophiereichsten Moden zeigen dabei sehr deutlich Gebiete hohen Impulsaustausches. Die experimentell gewonnenen Orthogonalmoden können zur Aufstellung eines reduzierten Modellsystems der Umströmung genutzt werden. Die Strömungskontrolle durch Lorentzkräfte kann anhand eines solchen Modells mit mathematischen Methoden optimiert werden. Die Messgenauigkeit kann für zeitaufgelöste Daten erhöht werden, indem lokal der Bildabstand für die PIV Auswertung variiert wird. In der Arbeit werden Beiträge dazu vorgestellt. Verschiedene Optimierungskriterien zeigen hier signifikante Verbesserungen anhand synthetischer Partikelbilder. Aufgrund des hohen Rechenaufwandes bei der Auswertung wurden diese Methoden für die Messungen jedoch nicht verwendet. Grundlegende Unterschiede in der Wirkung der Anregung stellen sich in Abhängigkeit vom Anstellwinkel ein. Für kleine Anstellwinkel (hier alpha ≤ 16°;Re = 10^4 ...10^5) kann von Ablösekontrolle gesprochen werden. Hier kann mit kleinen Impulskoeffizienten die Strömung komplett wieder angelegt werden, der Auftrieb steigt, der Widerstand sinkt. Im Bereich der Ablösekontrolle zeigt die Erhöhung des Impulskoeffizienten hinsichtlich des Auftriebes ein nichtmonotones Verhalten. Als optimal stellte sich c'my ≈ 0.2% heraus. Eine starke Frequenzabhängigkeit konnte nicht beobachtet werden. Günstige Wellenformen sind Rechteckpulse, die gegenüber allen anderen Wellenformen die besten Gleitzahlen lieferten. Für hohe Anstellwinkel (hier alpha > 16°) kann mit kleinen Impulskoeffizienten die Strömung nicht mehr komplett angelegt werden. Hier kommt es zur dynamischen Auftriebssteigerung durchWirbelstrukturen. Dabei zeigte sich, dass eine im zeitlichen Mittel möglichst lange Stabilisierung eines geschlossenen Rezirkulationsgebietes über der zweiten Hälfte der Profiloberfläche günstig wirkt. Die Anregung mit einem Dreiecksignal zeigte hier für höhere Impulskoeffizienten günstigere Ergebnisse gegenüber der Anregung mit einem Sinus- bzw. Rechtecksignal. Bei den Untersuchungen stellte sich weiterhin heraus, dass die optimale Frequenz der Anregung um den Auftrieb zu steigern vom Anstellwinkel des Profils abhängig ist. Sie fällt im untersuchten Parameterbereich mit der in der unbeeinflussten Strömung dominierenden Frequenz der Kraftbeiwerte zusammen und liegt im Bereich von F+ = 0.7...0.4 für alpha = 16°...30°. Für die Ablösekontrolle konnte der Auftriebsbeiwert um bis zu 80% für kleine Impulskoeffizienten gesteigert werden. Für hohe Anstellwinkel, also vollständig abgelöste Strömung entspricht die optimale dimensionslose Frequenz einer Strouhalzahl von St = 0:2. Hier scheint eine günstige Kopplung der saugseitigen forcierten Wirbelstrukturen mit dem Nachlauf ursächlich zu sein. Die optimale Frequenz erlaubt außerdem die Interaktion und das Verschmelzen der Wirbelstrukuren innerhalb einer Periode der Anregung über der Saugseite. Die vollständige Ablösung kann hier um bis zu 8° herausgezögert werden. Strömungsmechanische Untersuchungen experimenteller und numerischer Natur wurden für eine elektrochemische Zelle und den Fall der Elektrolyse an Millieelektroden unter dem Einfluss externer Magnetfelder durchgeführt. Die Übereinstimmung der gemessenen und berechneten Geschwindigkeitsfelder war dabei sehr gut. Entgegen der Annahme, dass im Falle homogener Magnetfelder keine Strömungen induziert werden, konnte nachgewiesen werden, dass durch die lokale Krümmung der elektrischen Feldlinien in Elektrodennähe starke Lorentzkräfte generiert werden. Dies führt zu sehr komplexen Primär-und Sekundärströmungen. Die gleichen Effekte bewirken ebenfalls in der Nähe von Millieelektroden starke orentzkräfte in homogenen magnetischen Feldern. Die experimentellen Beobachtungen an Millieelektroden von Leventis et. al (2005), welche zum Beweis der Konzentrationsgradientenkraft herangezogen wurden, konnten alle auf das Wirken lokaler Lorentzkräfte zurückgeführt werden. Der experimentelle Nachweis der Konzentrationsgradientenkraft steht damit weiterhin aus. Zur Messung der Konzentrationen in elektrochemischen Systemen wurde erstmals das Hintergrundschlierenverfahren angewendet. Dieses Verfahren erlaubt die Bestimmung der räumlichen Konzentrationsgradienten mit erheblich weniger messtechnischen Aufwand gegenüber spektroskopischen Methoden und der Schlierentechnik.

Die 14^N(p,gamma)^15O-Reaktion ist die langsamste im Bethe-Weizsäcker-Zyklus des Wasserstoffbrennens und bestimmt dessen Rate. Der Wirkungsquerschnitt dieser Reaktion wurde in der Vergangenheit über einen weiten Energiebereich gemessen. Erneute, genauere Messungen im niederenergetischen Bereich hatten gezeigt, dass der Wirkungsquerschnitt um einen Faktor zwei niedriger ist als erwartet. Im Rahmen dieser Arbeit soll überprüft werden, ob sich das auch für höhere Energien bestätigt. Hierzu wurden Messungen am Protonenstrahl des 3 MV Tendetron-Beschleunigers, Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, durchgeführt. Zunächst wird eine experimentelle Kalibrierung der gamma-Nachweiswahrscheinlichkeit dreier comptonunterdrückter Reinstgermanium-Detektoren im energiebereich von 0,7 bis 12 MeV durchgeführt. Das Ergebnis wird mit der bisher simulierten Effizienzkurve verglichen. Dann wird im Energiebereich von 0,5 bis 1,5 MeV der Wirkungsquerschnitt für 14^N(p,gamma)^15O*(6.7929), das heißt für den Einfang in den vierten angeregten von 15^O bei 6.792 keV, bestimmt. Der Einfang in diesen Zustand trägt mehr als die Hälfte zum extrapolierten Wirkungsquerschnitt bei Energien wie im Inneren der Sonne bei.

Objective of the present work is a broad investigation of the so called target poisoning during magnetron deposition of TiN in an Ar/N2 atmosphere. Investigations include realtime in-situ ion beam analysis of nitrogen incorporation at the Ti sputter target during the deposition process and the analysis of particle uxes towards and from the target by means of energy resolved mass spectrometry. For experiments a planar, circular DC magnetron, equipped with a 2 inch titanium target was installed in an ultrahigh vacuum chamber which was attached to the beam line system of a 5 MV tandem accelerator. A manipulator allows to move the magnetron vertically and thereby the lateral investigation of the target surface. During magnetron operation the inert and reactive gas flow were adjusted using mass flow controllers resulting in an operating pressure of about 0.3 Pa. The argon flow was fixed, whereas the nitrogen flow was varied to realize different states of target poisoning. In a fi?rst step the mass spectrometer was used to verify and measure basic plasma properties e.g. the residual gas composition, the behavior of reactive gas partial pressure, the plasma potential and the dissociation degree of reactive gas molecules. Based on the non-uniform appearance of the magnetron discharge further measurements were performed in order to discuss the role of varying particle fluxes across the target during the poisoning process. Energy and yield of sputtered particles were analyzed laterally resolved, which allows to describe the surface composition of the target. The energy resolving mass spectrometer was placed at substrate position and the target surface was scanned by changing the magnetron position correspondingly. It was found, that the obtained energy distributions (EDF) of sputtered particles are influenced by their origin, showing signi?ficant differences between the center and the erosion zone of the target. These results are interpreted in terms of laterally different states of target poisoning, which results in a variation of the surface binding energy. Consequently the observed energy shift of the EDF indicates the metallic or already poisoned fraction on target surface. Furthermore the EDF's obtained in reactive sputtering mode are broadened. Thus a superposition of two components, which correspond to the metallic and compound fractions of the surface, is assumed. The conclusion of this treatment is an discrete variation of surface binding energy during the transition from metallic to compound target composition. The reactive gas target coverage as derived from the sputtered energy distributions is in reasonable agreement with predictions from model calculations. The target uptake of nitrogen was determined by means of ion beam analysis using the 14N(d, )12C nuclear reaction. Measurements at varying nitrogen gas flow directly demonstrate the poisoning eff?ect. The reactive gas uptake saturates at a maximum nitrogen areal density of about 1.1016 cm-2 which corresponds to the stoichiometric limit of a 3 nm TiN layer. At sufficiently low reactive gas flow a scan across the target surface discloses a pronounced lateral variation of target poisoning, with a lower areal density in the target race track compared to the target center and edge. Again the findings are reproduced by model calculations, which confirm that the balance of reactive gas injection and sputter erosion is shifted towards erosion in the race track. Accomplished computer simulations of the reactive sputtering process are similar to Berg's well known model. Though based on experimental findings the algorithm was extended to an analytical two layer model which includes the adsorption of reactive gas as well as its different kinds of implantation. A distribution of ion current density across the target diameter is introduced, which allows a more detailed characterization of the processes at the surface. Experimental results and computer simulation have shown that at sufficiently low reactive gas flow, metallic and compound fractions may exist together on the target surface, which is in contradiction to previous simulations, where a homogeneous reactive gas coverage is assumed. Based on the results the dominant mechanisms of nitrogen incorporation at different target locations and at varying reactive gas admixture were identified.

Outstanding scientific results and statistical overview of the Institute of Ion Beam Physics and Materials Research in 2008

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The Rossendorf Beamline (ROBL) - located at BM20 of the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, France - is in operation since 1998. This 6th report covers the period from January 2007 to December 2008. In these two years, 50 peerreviewed papers have been published based on experiments done at the beamline. The average citation index, which increased constantly over the years, has now reached 3.5 (RCH) and 3.0 (MRH), indicating that papers are predominately published in journals with high impact factors. Six exemplary highlight reports on the following pages should demonstrate the scientific strength and diversity of the experiments performed on the two end-stations of the beamline, dedicated to Radiochemistry (RCH) and Materials Research (MRH). Demand for beamtime remains very high as in the previous years, with an average oversubscription rate of 1.8 for ESRF experiments. The attractiveness of our beamline is based upon the high specialization of its two end-stations. RCH is one of only two stations in Europe dedicated to x-ray absorption spectroscopy of actinides and other radionuclides. The INE beamline at ANKA provides superior experimental flexibility and extends to lower energies, including important elements like P and S. In contrast, ROBL-RCH provides a much higher photon flux, hence lower detection limits crucial for environmental samples, and a higher energy range extending to elements like Sb and I. Therefore, both beamlines are highly complementary, covering different aspects of radiochemistry research. Once the MARS beamline at SOLEIL is ready to run radionuclides (>2010), it will cover a third niche (Materials Science of actinides, including irradiated fuel) not accessible for the two other beamlines. The Materials Research Hutch MRH has realized an increasing number of in-situ investigations in the last years. On the one hand thin film systems were characterized during magnetron sputtering. On the other hand diffraction experiments under controlled atmosphere were performed. A high variety of experimental parameters was covered by varying pressure, temperature and atmospheric compositions including highly reactive gases. Furthermore structural investigations were combined with electrical conductivity measurements. These kind of in-situ experiments are the key to monitor and understand reaction mechanism or the influence of process parameters, which are again the basis to tailor materials properties on demand. The core competences of MRH are these experimental possibilities, which make it unique among other diffraction beamlines. In fall 2007, ROBL was reviewed by an international panel on behalf of the ESRF. The very positive panel report recommended a renewal of the contract between ESRF and FZD for the next five years, and a major upgrade of critical optical components of the beamline to keep ROBL competitive for the next decade. The FZD will provide 2 Mio € from 2009 to 2011 for this upgrade, which will be performed in parallel to the major upgrade of the ESRF to minimize the downtime. According to the current plans of the ESRF, our users have to expect that ROBL will have only limited or no operation for several months from August 2011 on. Since July 2004 the beamline is a member of the pooled facilities of ACTINET – European Network of Excellence. In the reported period, RCH has provided 27 % of its inhouse beamtime to perform 11 ACTINET experiments. The success of ACTINET within FP-6 has now led to a renewal of ACTINET within FP-7, running until end of 2011.

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