Qucosa – Hemholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
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Annual Report 2010 - Institute of Ion Beam Physics and Materials Research
Get PDFThe Institute of Ion Beam Physics and Materials Research (IIM) is one of the six institutes of what was called Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) until the end of 2010, but since this year 2011 is called “Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)”. This change reflects a significant transition for us: it means that the research center is now member of the Helmholtz Association of German Research Centers (HGF), i.e., a real government research laboratory, with the mission to perform research to solve fundamental societal problems. Often to date those are called the “Grand Challenges” and comprise issues such as energy supply and resources, health in relation to aging population, future mobility, or the information society.
This Annual Report already bears the new corporate design, adequate for the time of its issueing, but reports results from the year 2010, when we were still member of the Leibniz Association (WGL). Our research is still mainly in the fields of semiconductor physics and materials science 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 freeelectron 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
Annual Report 2010 - Institute of Radiochemistry
Get PDFAt the beginning of 2011, the former Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) was fully integrated into the Helmholtz Association, as Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Therefore, the present Annual Report 2010 of the Institute of Radiochemistry (IRC) is published as the first HZDR-Report.
The Institute of Radiochemistry is one of the six Research Institutes of this centre. IRC contributes to the research program “Nuclear Safety Research” in the “Research Field of Energy” and performs basic and applied research in radiochemistry and radioecology. Motivation and background of our research are environmental processes relevant for the installation of nuclear waste repositories, for remediation of uranium mining and milling sites, and for radioactive contaminations caused by nuclear accidents and fallout. Because of their high radiotoxicity and long half-life the actinides are of special interest
Two-phase flow experiments in a model of the hot leg of a pressurised water reactor
Get PDFIn order to investigate the two-phase flow behaviour in a complex reactor-typical geometry and to supply suitable data for CFD code validation, a model of the hot leg of a pressurised water reactor was built at FZD. The hot leg model is operated in the pressure chamber of the TOPFLOW test facility, which is used to perform high-pressure experiments under pressure equilibrium with the inside atmosphere of the chamber. This technique makes it possible to visualise the two-phase flow through large windows, also at reactor-typical pressure levels. In order to optimise the optical observation possibilities, the test section was designed with a rectangular cross-section.
Experiments were performed with air and water at 1.5 and 3.0 bar at room temperature as well as with steam and water at 15, 30 and 50 bar and the corresponding saturation temperature (i.e. up to 264°C). The total of 194 runs are divided into 4 types of experiments covering stationary co-current flow, counter-current flow, flow without water circulation and transient counter-current flow limitation (CCFL) experiments.
This report provides a detailed documentation of the experiments including information on the experimental setup, experimental procedure, test matrix and on the calibration of the measuring devices. The available data is described and data sheets were arranged for each experiment in order to give an overview of the most important parameters. For the cocurrent flow experiments, water level histograms were arranged and used to characterise the flow in the hot leg. In fact, the form of the probability distribution was found to be sensitive to the boundary conditions and, therefore, is useful for the CFD comparison.
Furthermore, the flooding characteristics of the hot leg model plotted in terms of the classical Wallis parameter or Kutateladze number were found to fail to properly correlate the data of the air/water and steam/water series. Therefore, a modified Wallis parameter is proposed, which takes the effect of viscosity into account
Annual Report 2009/10 Rossendorf Beamline at ESRF (ROBL-CRG)
Get PDFThe Rossendorf Beamline (ROBL) - located at BM20 of the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, France - is in operation since 1998. This 7th report covers the period from January 2009 to December 2010. In these two years, 67 peer- reviewed papers have been published based on experiments done at the beamline, more than in any biannual period before. Six highlight reports have been selected for this report to 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).
The beamtime was more heavily overbooked than ever before, with an acceptance rate of only 25% experiments. We would like to thank our external proposal review members, Prof. Andre Maes (KU Leuven, Belgium), Prof. Laurent Charlet (UJF Grenoble, France), Dr. Andreas Leinweber (MPI Metallforschung, Stuttgart, Germany), Prof. David Rafaja (TU Bergakademie Freiberg, Germany), Prof. Dirk Meyer (TU Dresden, Germany), who evaluated the inhouse proposals in a thorough manner, thereby ensuring that beamtime was distributed according to scientific merit.
The period was not only characterized by very successful science, but also by intense work on the optics upgrade. In spring 2009, a workshop was held at ROBL, assembling beamline experts from German, Spanish and Swiss synchrotrons, to evaluate the best setup for the new optics. These suggestions was used to prepare the call for tender published in July 2009. From the tender acceptance in November 2009 on, a series of design review meetings and factory acceptance tests followed. Already in July 2010, the first piece of equipment was delivered, the new double-crystal, double-multilayer monochromator. The disassembly of the old optics components started end of July, 2011, followed by the installation of the new components. As of December 2011, the new optics have seen the first test beam and thorough hot commissioning will be continued until May 2012, since the ESRF shuts down for a major upgrade from December 2011 to April 2012. We expect that we will be ready for user operation from June 2012 on, with a better beamline than ever.
The beamline staff would like to thank all partners, research groups and organizations who supported the beamline during the last 24 months. Special thanks to the FZD management, the CRG office of the ESRF with Axel Kaprolat as liaison officer and Eric Dettona as lead technician, and to the ESRF safety group members, Paul Berkvens, Patrick Colomp and Yann Pira
Spektroskopische Untersuchungen zur Komplexbildung von Cm(III) und Eu(III) mit organischen Modellliganden sowie ihrer chemischen Bindungsform in menschlichem Urin (in vitro)
Get PDFDreiwertige Actinide (An(III)) und Lanthanide (Ln(III)) stellen im Falle ihrer Inkorporation eine ernste Gefahr für die Gesundheit des Menschen dar. An(III) sind künstlich erzeugte, stark radioaktive Elemente, die insbesondere bei der nuklearen Energiegewinnung in Kernkraftwerken entstehen. Durch Störfälle oder nicht fachgerechte Lagerung radioaktiven Abfalls können sie in die Umwelt und die Nahrungskette des Menschen gelangen. Ln(III) sind hingegen nicht radioaktive Elemente, die natürlicherweise vorkommen und für vielfältige Anwendungen in Technik und Medizin abgebaut werden. Folglich kann der Mensch sowohl mit An(III) als auch Ln(III) in Kontakt kommen bzw. sie inkorporieren. Es ist daher von enormer Wichtigkeit, das Verhalten dieser Elemente im menschlichen Körper aufzuklären. Während makroskopische Vorgänge wie Verteilung, Anreicherung und Ausscheidung bereits sehr gut untersucht sind, ist das Wissen hinsichtlich der chemischen Bindungsform (Speziation) von An(III) und Ln(III) in Körperflüssigkeiten noch sehr lückenhaft.
In der vorliegenden Arbeit wurde daher erstmals die chemische Bindungsform von Cm(III) und Eu(III) in natürlichem menschlichem Urin (in vitro) spektroskopisch aufgeklärt und die gebildeten Komplexe identifiziert. Hierzu wurden auch grundlegende Untersuchungen zur Komplexierung von Cm(III) und Eu(III) in synthetischem Modellurin sowie mit den urinrelevanten organischen Modellliganden Harnstoff, Alanin, Phenylalanin, Threonin und Citrat durchgeführt und die noch unbekannten Komplexbildungskonstanten bestimmt. Abschließend wurden alle experimentellen Ergebnisse mit Literaturdaten und Vorherberechnungen mittels thermodynamischer Modellierung verglichen. Auf Grund der hervorragenden Lumineszenzeigenschaften von Cm(III) und Eu(III) konnte insbesondere auch die Eignung der zeitaufgelösten laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie (TRLFS) als Methode zur Untersuchung dieser Metallionen in unbehandelten, komplexen biologischen Flüssigkeiten demonstriert werden.
Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern damit neue Erkenntnisse zu den biochemischen Reaktionen von An(III) und Ln(III) in Körperflüssigkeiten auf molekularer Ebene und tragen zu einem besseren Verständnis der bekannten, makroskopischen Effekte dieser Elemente bei. Darüber hinaus sind sie die Grundlage weiterführender in-vivo-Untersuchungen
Terahertz studies on semiconductor quantum heterostructures in the low and high field regime
Get PDFIn this thesis we investigate experimentally certain aspects of the interaction of terahertz (THz) radiation with intersubband transitions and excitonic transitions in semiconductor quantum wells.
The first part deals with a more fundamental view on an intersubband transition in a symmetric, undoped GaAs/AlGaAs multiple quantum well. After optical excitation of carriers, the considered electronic conduction intersubband transition is probed in the low-intensity linear regime using broadband THz pulses. These pulses are detected via field-resolved electro-optic sampling. While the sample’s terahertz absorption shows the expected single peak of the resonant intersubband transition, the differential transmission spectra, i.e. the photoexcitation-induced changes in transmission, display strong Fano signatures. On the basis of a microscopic theory, we show that they originate from a phase sensitive superposition of THz current and ponderomotive current. The latter one results from the wiggling motion of carriers induced by the accelerating THz field. Our findings demonstrate for the first time that the ponderomotive contribution has to be taken into account also at the lowest THz intensities. The following issues consider the interaction with THz pulses of higher intensity from the free-electron laser (FEL) of the Forschungszentrum Dresden-Rossendorf.
In one experiment we investigate efficient second order sideband generation in the GaAs/AlGaAs multiple quantum well mentioned above. To this end a near-infrared laser tuned to excitonic interband transitions is mixed inside the sample with the inplane polarized FEL beam to create the sum- and difference-frequencies between them. We compare the sideband efficiencies for the THz beam tuned to the interexcitonic heavy-hole light-hole transition and to the intraexcitonic heavy-hole 1s-2p transition. In the latter case we achieve a ten times higher n=+2 low-temperature efficiency around 0.1%. This value is comparable to previous studies in the literature, but our approach involves different transitions in a much simpler geometry. At room temperature the efficiency drops only by a factor of 7 for low THz powers.
The last part of this thesis addresses another fundamental quantum-mechanical phenomenon: the splitting of an absorption line in a strong THz field. In the same abovementioned quantum well sample the FEL wavelength is tuned near the intraexcitonic 1s-2p heavy-hole transition. The THz radiation induces a power-dependent splitting of the heavy-hole 1s exciton absorption line which manifests itself in the transmitted spectrum of a broadband near-infrared probe beam. The FEL-wavelength-dependent strength of this so-called Autler-Townes splitting is discussed on the basis of a simple two-level model
Validierung von Software-Komponenten zur Voraussage der strahleninduzierten Schädigung von RDB-Stahl
Get PDFDie 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
Hochauflösende Rutherford-Streuspektrometrie zur Untersuchung von ZrO2-Schichtwachstum im Anfangsstadium
Get PDFDie 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
Strömungskarten und Modelle für transiente Zweiphasenströmungen
Get PDFExperimente mit neuartigen Messverfahren lieferten Daten über die Struktur von transienten Flüssig-keits-Gas-Strömungen für die Entwicklung und Validierung von mikroskopischen, d.h. geometrieunabhängigen Konstitutivbeziehungen zur Beschreibung des Impulsaustauschs zwischen Flüssig-phase und Gasblasen sowie zur Quantifizierung der Häufigkeit von Blasenkoaleszenz und -zerfall. Hierzu wurde eine vertikale Testsektion der Zweiphasentestschleife MTLoop in Rossendorf genutzt, wobei erstmals Gittersensoren mit einer Auflösung von 2-3 mm bei einer Messfrequenz von bis zu 10 kHz angewandt wurden. Dabei wurde die Evolution von Gasgehalts-, Geschwindigkeits- und Bla-sengrößenverteilungen entlang des Strömungsweges und bei schnellen Übergangsprozessen aufge-nommen und so die für die Modellbildung erforderlichen Daten bereitgestellt. Für den Test der Mo-dellbeziehungen wurde ein vereinfachtes Verfahren zur Lösung der Strömungsgleichungen entlang des Strömungswegs erstellt. Es basiert auf der Betrachtung einer größeren Anzahl von Blasengrö-ßenklassen. Die erhaltenen numerische Lösungen haben erstmals gezeigt, dass der bei Erhöhung der Gasvolumenstromdichte stattfindende Übergang von einer Blasenströmung mit Randmaximum zu einem Profil mit Zentrumsmaximum und anschließend zu einer Pfropfenströmung ausgehend von einem einheitlichen Satz physikalisch begründeter und geometrieunabhängiger Konstitutivgleichun-gen modelliert werden kann. Die Modellbeziehungen haben sich in einem abgegrenzten Gebiet der Volumenstromdichten als generalisierungsfähig erwiesen und sind für den Einbau in CFD-Modelle geeignet. Weiterhin wurden Arbeiten zur Kondensation durchgeführt, die direkten Bezug zu den Kon-densationsmodellen haben, die in Thermohydraulik-Codes enthalten sind. Die Untersuchung liefert darüber hinaus experimentelle Daten für die Modellvalidierung hinsichtlich des Verhaltens und des Einflusses nichtkondensierbarer Gase. Hierfür wurden spezielle Sonden für die Bestimmung der Konzentration und für die Lokalisierung von Pfropfen nichtkondensierbarer Gase entwickelt und bei transienten Kondensationsversuchen in einem leicht geneigten Wärmeübertragerrohr eingesetzt
