3D-Wasserstoffmikroskopie
Final Report Abstract
Die Ziele des Projektes - methodische Weiterentwicklung und Anwendung der 3D-Wasserstoffmikroskopie auf materialwissenschaftliche und geologische Fragestellungen - wurden, trotz Verzögerungen, vollständig erreicht. Die methodischen Entwicklungen konzentrierten sich zuerst auf die Verbesserung der Strahlqualität des Protonenstrahls, der am Rasterionenmikroskop SNAKE für die 3D-Wasserstoffmikroskopie genutzt wird. Dazu wurden mit Investitionsmitteln der Universität eine hochbrilliante Protonenquelle installiert und neuartige Präzisions-Schlitze für die Mikrostrahleinrichtung entwickelt und installiert. Außerdem wurde mit den Projektmitteln eine neue Detektorkonfiguration für den koinzidenten Nachweis von Proton-Proton-Streuereignissen aufgebaut. Dadurch ist es jetzt möglich, Protonenstrahlen mit einer Energie bis zu 25 MeV für die Wasserstoffmikroskopie bei 100 pA Strahlströmen und Sub-Mikrometer Strahlauflösung zu verwenden. Damit können jetzt auch Proben bis über 100 µm Dicke oder Proben, die aus schweren Elementen bestehen, mikroskopiert werden. Zusätzlich haben wir eine Methode entwickelt, um mittels Rückstreuanalyse (Hochenergie-Protonen-RBS) andere Elemente in Korrelation mit den Wasserstoffverteilungen zu vermessen. Außerdem wurde die Quantifizierung des Wasserstoffgehalts optimiert, indem die verfügbaren Daten der Proton-Proton Streuwahrscheinlichkeiten mit einer Unsicherheit kleiner als 1% über einen weiten Energiebereich mit einer „Phase-Shift-Analyse“ approximiert wurden. Des Weiteren wurde ein Monte-Carlo-Simulations-Programm in Zusammenarbeit mit F. Schiettekatte (Montreal) weiterentwickelt, mit dem es jetzt möglich ist, die Detektionseffizienz, die aufgrund von Vielfachstreueffekten reduziert wird, materialabhängig zu berücksichtigen. Die größte Unsicherheit bei der Quantifizierung von Wasserstoffkonzentrationen besteht nun in der Messung der kleinen Strahlströme (< 100 pA), die in einem Folgeprojekt weiter verbessert werden soll. Durch die Verwendung von Protonenenergien oberhalb 20 MeV wurde es möglich, geologische Proben auf ihren Wasserstoffgehalt, der im wenigen at ppm Bereich liegt, zu untersuchen. Zuerst wurde mit unfokussierten Protonenstrahlen auf makroskopischen Proben analysiert, nach Fertigstellung der methodischen Entwicklungen am Rasterionenmikroskop SNAKE auch mikroskopische Proben, die aufgrund Ihrer geringen Größe und/oder Einbettung in inhomogene, wasserstoffreiche Umgebungen nur mit unserer Anlage mikroskopiert werden können. Im Wesentlichen dienen unsere Messungen der Kalibrierung der IR-Spektroskopie, die materialabhängig eine Referenz benötigt. Solche Kalibrationen konnten erfolgreich innerhalb mehrerer Kollaborationen mit Geologen erreicht werden. Eine weitere Hauptanwendung der Wasserstoffmikroskopie der letzten Jahre lag in der Untersuchung des Wasserstoffgehalts in unterschiedlichen Funktions-Metallen. Wir untersuchten in mehreren Studien Reaktorstahl sowie Wolfram als Wandmaterial für Fusionsreaktoren. Dabei zeigte sich, dass mit dem neuen Detektorsystem eine sehr gute Nachweisgrenze von wenigen ppm auch in Materialien, die aus schweren Elementen bestehen, erreicht werden kann trotz des deutlich erhöhten Untergrunds durch Kernreaktionen gegenüber leichten Elementen. Ein Highlight war die mikroskopische Analyse von Wasserstoff in Wasserstoff-beladenen Niobschichten. Bei hohen Beladungen findet eine Phasenumwandlung statt, die beim Phasenübergang zu mikroskopisch strukturierten Proben führt. Die sichtbaren Mikrostrukturen konnten direkt mit den Wasserstoffverteilungen korreliert werden und damit Modelle zur Phasenumwandlung bei der Wasserstoffspeicherung bestätigt werden. Weitere Projekte (Diamantdefekte, magnetische Kohlenstoff-Schichten, Brennstoffzell-Materialien, Wasserstoffspeicher, Metallversprödung) harren der Bearbeitung. Hierzu sollen in einem neuen Projekt weitere methodische Entwicklungen erfolgen (Deuterium-Analyse, weitere Verbesserung der Messunsicherheiten) und die neuen Anwendungen angegangen werden.
Publications
- Application of Raman spectroscopy to quantify trace water concentrations in glasses and garnets. American Mineralogist 93 (2008) 1550-1557
S.M. Thomas, R. Thomas, P. Davidson, P. Reichart, M. Koch-Müller, G. Dollinger
- Water in natural olivine--determined by proton-proton scattering analysis. American Mineralogist, 93 (2008) 1613.
J. Gose, P. Reichart, G. Dollinger, E. Schmädicke
- Hydrogen Analysis by Proton-Proton Scattering, in: Y. Wang and M. Nastasi (Eds.), Handbook of Modern Ion Beam Materials Analysis (2nd Ed.), Materials Research Society, 2009 (ISBN 978-1-60511-215-2)
P. Reichart and G. Dollinger
- IR calibrations for water determination in Olivine, r-GeO2 and SiO2 polymorphs. Physics and Chemistry of Minerals 36 (2009) 489-509
S.M. Thomas, M. Koch-Müller, P. Reichart, D. Rhede, R. Thomas, R. Wirth, S. Matsyuk
- Differential proton-proton scattering cross section for energies between 1.9 MeV and 50 MeV. Nucl. Instr. and Meth. B 269 (2011) 2217-222
M. Moser, P. Reichart, C. Greubel, G. Dollinger
- High brilliance multicusp ion source for hydrogen microscopy at SNAKE. Nucl. Instr. and Meth. B 273 (2012) 226-230
M. Moser, P. Reichart, W. Carli, C. Greubel, K. Peeper, P. Hartung, G. Dollinger
- Non-Rutherford backscattering microscopy using 25 MeV protons. Nucl. Instr. and Meth. B 273 (2012) 254-257
K. Peeper, M. Moser, P. Reichart, G. Dollinger
- 3D-Microscopy of Hydrogen in Tungsten. J. Nucl. Mat. 438 (2013) S887-S890
K. Peeper, M. Moser, P. Reichart, E. Markina, M. Mayer, S. Lindig, M. Balden, G. Dollinger
- Hydrogen microscopy - Distribution of hydrogen in buckled niobium hydrogen thin films. Int. J. of Hydrogen Energy 38 (2013) 13822
Stefan Wagner, Marcus Moser, Christoph Greubel, Katrin Peeper, Patrick Reichart, Astrid Pundt, Günther Dollinger
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.08.006) - Three-dimensional microscopy of deuterium in tungsten; Phys. Scr. T 159 (2014) 014070
K. Peeper, M. Moser, P. Reichart, E. Markina, S. Elgeti (Lindig), M. Balden, Th. Schwarz-Selinger, M. Mayer and G. Dollinger
(See online at https://doi.org/10.1088/0031-8949/2014/T159/014070)
