Moderne Hochdruckforschung entwickelt sich rasant zu einer der vielfältigstens und überraschensten Disziplinen der Festkörperphysik. Unter Benutzung von Diamantstempelzellen können Drücke erreicht werden, die den Bedingungen im Inneren unserer Erde ähneln. Eine Anwendung von Kernmagnetischen Resonanzexperimenten (NMR) in Diamantstempelzellen galt jedoch fur lange Zeit als unmöglich. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiger Ansatz weiterentwickelt, der Radiofrequenz-(RF)-Mikrospulen benutzt, die direkt zwischen den Diamantstempeln platziert werden, und somit zu einer signififikanten Sensitivitatssteigerung führen. Es ist gelungen, Hochdruckzellen zu entwickeln, die fur die speziellen Anforderungen der NMR zugeschnitten sind. Des Weiteren konnte eine nicht metallische, nicht magnetische Dichtung entwickelt werden, die zudem zu einer signififikanten Stabilisierung des Probenvolumens führt. Eine breit angelegte Analyse der Leistungsfähigkeit dieser neuartigen NMR-Hochdruckprobenköpfe zeigt deren Leistungsfähigkeit mit sehr hohen Empfifindlichkeiten sowie einer exzellenten RF Anregung und Zeitauflösung. Drei Anwendungsbeispiele, die das Potenzial dieses Ansatzes in dieser Arbeit unterstreichen, werden vorgestellt. Bei Drücken von bis zu 4 GPa werden die elektronischen und dynamischen Eigenschaften von elementarem Gallium untersucht. Unter höheren Drücken ist es gelungen, einen druckinduzierten Isolator-Metall-Übergang in dem ternaren Chalkogenid AgInTe2 zu beobachten. Schlussendlich ist es gelungen, die strukturellen und elektronischen Eigenschaften von Rubin bei Drücken von bis zu 30.5 GPa zu untersuchen, was einer Verdreifachung des bisher zugänglichen experimentellen Druckbereiches entspricht und die NMR fur moderne Hochdruckanwendungen möglich macht.

Der Bericht beschreibt die Arbeiten zur CFD-Modellentwicklung zur Beschreibung des Fasertransportes in einer Wasserströmung, die im Unterauftrag der Hochschule Zittau/Görlitz erfolgten. Während die experimentellen Arbeiten zu dieser Thematik in Zittau durchgeführt wurden, lag der Schwerpunkt der theoretischen Arbeiten in Rossendorf. Im Arbeitspunkt EZ 1 des Projektantrages ist die Erweiterung der Einzeleffektuntersuchungen vorgesehen. Die entsprechenden Modellansätze zum Partikeltransport sind im Kapitel 3.1. beschrieben. Die Modellanpassung und Validierung ist in 3.2 und 3.3 dargestellt. Der Fasertransport in einer Wasserströmung wird durch Jet-Phänomene bestimmt. Untersuchungen dazu sind im EZ3.1 des Projektantrages: 3D-Phänomene infolge Blasenmitriss vorgesehen und die Modellansätze und der Vergleich zu Experimenten in den Kapiteln 4.1 bis 4.3 dargestellt. Des Weiteren wird der Einfluss auf den Ausgleich der Temperatur für den Fall untersucht, dass der Jet kälter als die Wasservorlage im Tank ist. Dieser Abschnitt entspricht damit der EZ3.2 des Antrages: 3D-Phänomene infolge Temperaturdifferenzen. Im Kapitel 4.4 wird auf die Strömungsvorgänge in der Zittauer Strömungswanne eingegangen und damit der Punkt EZ4 des Antrages: Integraluntersuchungen bearbeitet. Kapitel 5 beschreibt die Entwicklung eines Sieb-Modells, das die Faser-Kompaktierung berücksichtigt und auf der Darcy-Gleichung basiert. Die Modellparameter werden an Experimenten in Zittau justiert. Diese Experimente wurden für verschiedene Materialien durchgeführt und mit deren Hilfe ein Koeffizientenkatalog erstellt. Das Modell wurde in den CFD-Code CFX implementiert und anhand einiger Anwendungsbeispiele demonstriert.

In dieser Arbeit wird die Erzeugung permanenter Nanostrukturen durch den Beschuss mit langsamen (v < 5x105m/s) hochgeladenen (q < 40) Ionen auf den Oberflächen der Ionenkristalle CaF2 sowie KBr untersucht. Die systematische Analyse der Probenoberfläche mittels Raster-Kraft-Mikroskopie liefert detaillierte Informationen über den Einfluss von potentieller und kinetischer Projektilenergie auf den Prozess der Strukturerzeugung. Der individuelle Einfall hochgeladener Ionen auf der KBr(001)-Oberfläche kann die Erzeugung monoatomar tiefer, lochartiger Strukturen -Nanopits- mit einer lateralen Ausdehnung von wenigen 10nm initiieren. Das Volumen dieser Löcher und damit die Anzahl gesputterter Sekundärteilchen zeigt eine lineare Abhängigkeit von der potentiellen Energie der Projektile. Für das Einsetzen der Locherzeugung konnte ein von der Projektilgeschwindigkeit abhängiger Grenzwert der potentiellen Energie E_grenz^pot (Ekin) gefunden werden. Auf der Basis der defekt-induzierten Desorption durch Elektronen wurde unter Einbeziehung von Effekten der Defektagglomeration ein konsistentes mikroskopisches Modell für den Prozess der Locherzeugung konzipiert. Für die CaF2(111)-Oberfläche kann die aus jüngsten Studien bekannte, individuelle Erzeugung hügelartiger Nanostrukturen -Nanohillocks- durch hochgeladene Ionen in dieser Arbeit auch für kleinste kinetische Energien (E_kin < 150eVxq) verifiziert werden. Die potentielle Energie der einfallenden Ionen wird damit erstmalig zweifelsfrei als alleinige Ursache der Nanostrukturerzeugung identifiziert. Zudem zeigt sich bei geringer Projektilgeschwindigkeit eine Verschiebung der potentiellen Grenzenergie zur Hillock-Erzeugung. Im Rahmen einer Kooperation an der Technischen Universität Wien durchgeführte Simulationsrechnungen auf der Grundlage des inelastischen thermal spike-Modells zeigen, dass die individuelle Hillock-Erzeugung durch hochgeladene Ionen mit einer lokalen Schmelze des Ionenkristalls verknüpft werden kann. Dem essentiellen Einfluss der Elektronenemission während der Wechselwirkung des hochgeladenen Ions mit der Oberfläche auf den Prozess der Nanostrukturerzeugung wird in komplementären Untersuchungen zur Sekundärelektronenstatistik Rechnung getragen. Erstmalig werden dabei Gesamtelektronenausbeuten für Isolatoroberflächen bei kleinsten Projektilgeschwindigkeiten (v < 1x10^5 m/s) bestimmt. Für Geschwindigkeiten v < 5x10^4 m/s findet sich für die Isolatoroberfläche in starkem Kontrast zu Metallen ein signifikanter Abfall der Elektronenausbeute mit sinkender kinetischer Energie. Mögliche Ursachen dieses Effektes werden auf der Grundlage unterschiedlicher Modelle diskutiert.

Es wurde ein Modell zur realistischen Beschreibung der Kühlmittelvermischung innerhalb des Reaktordruckbehälters eines Druckwasserreaktors entwickelt und validiert. Dieses schnell rechnende Modell basiert auf dem Prinzip der linearen Superposition der Antwortfunktionen auf Dirac-Impuls-ähnliche Störungen der Kühlmittelparameter. Es wurde in den gekoppelten Programmkomplex DYN3D/ATHLET als Schnittstelle zwischen dem eindimensionalen Thermohydraulikprogramm ATHLET und dem dreidimensionalen neutronenkinetischen Kernmodell DYN3D eingebunden und simuliert in effizienter Weise die Vermischung des Kühlmittels innerhalb des RDB. Für die Analyse von hypothetischen Borverdünnungsstörfallen wurde eine Methodik entwickelt, die auf dem neuen Modell zur Beschreibung der Kühlmittelvermischung basiert. Diese Methodik besteht aus einer Kombination von stationären und transienten Rechnungen, in denen die Vermischung der deborierten Pfropfen auf dem Weg zum Reaktorkern in realistischer Weise simuliert wird. Über die Variation der Größe des deborierten Kühlmittelpfropfens kann der gewünschte Grad an Konservativität für die Analysen vorgegeben werden. Diese neue Methodik wurde erfolgreich auf zwei verschiedene Borverdünnungsstörfalle angewandt. Neben dem Start der ersten Hauptkühlmittelpumpe bei Vorhandensein eines deborierten Kühlmittelpfropfens im kalten Strang des Primärkreislaufes wurde ein Deborierungsstörfall im Nachkühlbetrieb betrachtet. In beiden Fällen zeigten die Ergebnisse der Parameterstudie für eine generische Kernkonfiguration, dass es selbst bei Annahme des maximal möglichen Pfropfenvolumens zwar zur Rekritikalität des abgeschalteten Reaktors aber nicht zu einer unzulässigen Erhöhung der Hüllrohrtemperatur kommt. Wesentliche Ursache dafür ist die Verwendung realistischer zeitabhängiger Verteilungen der Borkonzentration am Eintritt in jedes Brennelement.

This thesis addresses the evolution of nanoscale ripple patterns on solid surfaces during low-energy ion sputtering. Particular attention is paid to the long-time regime in which the surface evolution is dominated by nonlinear processes. This is explored in simulation and experiment. In numerical simulations, the influence of anisotropy on the evolution of the surface patterns in the anisotropic stochastic Kuramoto-Sivashinsky (KS) equation with and without damping is studied. For a strong nonlinear anisotropy, a 90 rotation of the initial ripple pattern is observed and explained by anisotropic renormalization properties of the anisotropic KS equation. This explanation is supported by comparison with analytical predictions. In contrast to the isotropic stochastic KS equation, interrupted ripple coarsening is found in the presence of low damping. This coarsening seems to be a nonlinear anisotropy effect that occurs only in a narrow range of the nonlinear anisotropy parameter. Ex-situ atomic force microscopy (AFM) investigations of Si(100) surfaces sputtered with sub-keV Ar ions under oblique ion incidence show the formation of a periodic ripple pattern. This pattern is oriented normal to the direction of the ion beam and has a periodicity well below 100 nm. With increasing ion fluence, the ripple pattern is superposed by larger corrugations that form another quasi-periodic pattern at high fluences. This ripple-like pattern is oriented parallel to the direction of the ion beam and has a periodicity of around one micrometer. Interrupted wavelength coarsening is observed for both patterns. A dynamic scaling analysis of the AFM images shows the appearance of anisotropic scaling at large lateral scales and high fluences. Based on comparison with the predictions of different nonlinear continuum models, the recent hydrodynamic model of ion erosion, a generalization of the anisotropic KS equation, is considered as a potentially powerful continuum description of this experiment. In further in-situ experiments, the dependence of the dynamic scaling behavior of the sputtered Si surface on small variations of the angle of incidence is investigated by grazing incidence small angle X-ray scattering (GISAXS). A transition from strongly anisotropic to isotropic scaling is observed. This indicates the presence of at least two fixed points in the system, an anisotropic and an isotropic one. The dynamic scaling exponents of the isotropic fixed point are in reasonable agreement with those of the Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) equation. It remains to be seen whether the hydrodynamic model is able to show such a transition from anisotropic to isotropic KPZ-like scaling.

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The Institute of Ion Beam Physics and Materials Research (IIM) is one of the six institutes of the Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD), and contributes the largest part to its Research Program \"Advanced Materials\", mainly in the fields of semiconductor physics and materials research using ion beams. The institute operates a national and international Ion Beam Center, which, in addition to its own scientific activities, makes available fast ion technologies to universities, other research institutes, and industry. Parts of its activities are also dedicated to exploit the infrared/THz free-electron laser at the 40 MeV superconducting electron accelerator ELBE for condensed matter research. For both facilities the institute holds EU grants for funding access of external users.

Reactive Sputtering is a widely used technique in processing of thin compound films. Such films can be sputtered from metal targets, which are comparatively cost efficient. Also the fact that sputtering from metal targets can ccur in the dc mode reduces the cost of the sputtering equipment. To keep the deposition process stable, its necessary to know the effects of target poisoning including its hyteresis behavior. The aim of this work was to nvestigate the evolution of reactive gas coverage on a titanium magnetron target surface, by real time, in-situ ion beam analysis during magnetron sputtering. A cylindrical 2 inch magnetron was used for reactive sputtering of TiN. It was operated in an Ar/N2 gas mixture at achamber pressure of about 3∙10-3 mbar. The argon/nitrogen flux ratio was variated between 0 and 20%. The nitrogen concentration on the target was determinated using the 14N(d, α)12C, nuclear reaction at a deuterium beam energy of 1.8 MeV. Depending on the adjusted nitrogen flow the target incorporation varies between 0 and about 1∙1016 N∙cm-2. Further the expected hysteresis behaviour ofnitrogen partial pressure, target voltage and nitrogen concentration at increasing/decreasing nitrogen gas flow is confirmed. The lateral distribution of nitrogen was measured across the diameter of target surface. In the zone of higher erosion (the \"race track\") the nitrogen concentration is 50% lower than in the middle or the edge of the target. A deposition zone in the center of the target could not be detected. By increasing the nitrogen flow into the chamber a saturation in nitrogen content in the target was found at an Ar/N2 flow ratio of about 10%. Assuming nitrogen implantation with a depth of 2.5 nm under the influence of typical target voltage during magnetron sputtering, this saturation is at a concentration value where stoichiomtric TiN is formed. Within the precision of the measurements, a mobile fraction of nitrogen could not determined. The concentration in the target remains unchanged after switching off the magnetron.

Die skalenübergreifende Modellierung der strahleninduzierten Schädigung von RDB-Stahl von den Primärschäden auf der atomaren Skala bis zu den Änderungen der mechanischen Eigenschaften auf der Makroskala trägt wesentlich zu einem ver¬besserten Verständnis des Phänomens der Neutronenversprödung bei. Sie kann sich zukünftig zu einem Bestandteil der Sicherheitsbewertung des RDB entwickeln. Der gewählte zweistufige Modellierungsansatz beruht auf der Kopplung eines ratentheoretischen Moduls zur Voraussage der Größenverteilung der strahlen¬induzierten Defekt-Fremdatom-Cluster mit einem Härtungs-Modul zur Voraussage der strahleninduzierten Streckgrenzenerhöhung. Gegenstand der Untersuchungen sind die Weiterentwicklung und Validierung entsprechender Software-Komponenten. Die Validierung erfolgt durch Gegenüberstellung der Berechnungsergebnisse mit Resultaten von Neutronenkleinwinkelstreumessungen und Zugversuchen an neutronenbestrahlten RDB-Stählen. Der entwickelte ratentheoretische Modul ermöglicht es, die Größe, Konzentration und Zusammensetzung gemischter Cu-Leerstellen-Cluster über die für RDB-Stähle relevanten Größenbereiche von bis zu 10000 Atomen und Zeitbereiche von bis zu mehreren 10 Jahren zu verfolgen. Die Verbindung der Ratentheorie zur Härtungs¬modellierung beruht auf der Übergabe von berechneten mittleren Hindernis¬abständen und -stärken. Die Validierung der numerischen Werkzeuge hat ergeben, dass wesentliche Tendenzen der strahleninduzierten Streckgrenzenerhöhung von Cu-haltigen und Cu-armen RDB-Stählen richtig wiedergegeben werden. Erste Ansätze zur Erfassung des Einflusses des Legierungselements Nickel im Rahmen der Ratentheorie und der Härtungsmodellierung wurden verwirklicht.

Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen einer Kooperation des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf mit Qimonda Dresden GmbH & Co. OHG. Mithilfe der hochauflösenden Rutherford-Streuspektrometrie (HR-RBS) wurden das Diffusionsverhalten und Schichtwachstum von ZrO2 auf SiO2 und TiN im Anfangsstadium untersucht. Auf Grund der exzellenten Tiefenauflösung von 0,3 nm an der Oberfläche stand die Analyse von Konzentrationsprofilen in ultradünnen Schichten, respektive an deren Grenzflächen im Vordergrund. Zur qualitativen Verbesserung der Messergebnisse wurde erstmals ein zweidimensionaler positionsempfindlicher Halbleiterdetektor in den Aufbau der HR-RBS implementiert und charakterisiert. Außerdem wurde ein Messverfahren in Betrieb genommen, das mögliche Schädigungen durch den Ioneneintrag in die Messprobe minimiert. Durch die Optimierung der experimentellen Bedingungen und die Entwicklung eines Programmpaketes zur Unterstützung des Analysten konnte ein effizienter Routine-Messablauf erstellt werden. Im Moment einer binären Kollision zwischen einfallendem Ion und Targetelement kommt es bei kleinem Stoßparameter zu Veränderungen des Ladungszustands der gestreuten Ionen, insbesondere durch die abrupte Geschwindigkeitsänderung des Projektils und der Überlappung der Elektronenwolken. Bei der HR-RBS mit Energie separierendem Dipolmagneten muss zur Interpretation von Streuspektren die Ladungszustandsverteilung der gestreuten Projektile bekannt sein. Erstmalig konnte eine signifikante Abhängigkeit der Ladungszustandsverteilung gestreuter C-Ionen sowohl von der Schichtdicke als auch der Ordnungszahl des detektierten Targetelements, hier der vierten Nebengruppe, nachgewiesen werden. Diese gewonnen Erkenntnisse ermöglichten systematische Untersuchungen zum ZrO2-Schichtwachstum im Anfangsstadium. Zur Herstellung der ZrO2-Schichten wurde die Atomlagenabscheidung (ALD) verwendet. Anhand der nachgewiesenen Agglomeration von ZrO2 auf nativen SiO2 wurde mithilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM) zur Bestimmung von Oberflächenrauigkeiten eine Methode konzipiert, welche die Auswirkung lokaler Schichtdickeninhomogenitäten auf die niederenergetische Flanke eines Streuspektrums berücksichtigt. Auf dieser Grundlage durchgeführte Simulationsrechnungen ergeben, dass keine Diffusion von Zr in die darunter liegende Schicht stattfand, jedoch eine ZrSiO4-Grenzflächenschicht existiert. Für das Wachstum von ZrO2 auf TiN wird aus den hoch aufgelösten Streuspektren ein völlig anderes Verhalten abgeleitet. Messungen zu Oberflächentopografien der TiN-Schicht liefern nicht zu vernachlässigende Werte für die Rauigkeit. Um den Einfluss der Oberflächenrauigkeit auf die Form des hoch aufgelösten Spektrums erfassen zu können, wurde eine Software entwickelt. Auf Basis von AFM-Messungen ermöglicht dieses Programm das Extrahieren einer Energieverteilung aus den Weglängen von ausschließlich an der Oberfläche gestreuten Ionen. Unter Berücksichtigung des Effekts der Oberflächenrauigkeit auf die HR-RBS Spektrenform konnte die Diffusion von Zr in das polykristalline TiN erstmals verifiziert werden. Die Beobachtungen weisen daraufhin, dass bereits nach dem ersten ALD-Zyklus ein geringer Anteil der deponierten Zr-Atome bis in eine Tiefe von etwa 3 nm in das TiN diffundiert. Die vorläufigen Ergebnisse legen Korngrenzendiffusion nahe.