Cluster-Tool zur In situ Modifizierung und Analyse von Werkstoffen unter extremen Bedingungen am 6 MV Ionenbeschleuniger des HZDR

Moderne Werkstoffe sind bei vielen Anwendungen extremenUmgebungsbedingungen ausgesetzt. Dazu zählen hohe und tiefe Temperaturen bzw. große Temperaturschwankungen, die teilweise in Verbindung mit korrosiven oder reaktiven Atmosphären oder hohen mechanischen Belastungen auftreten. Sie stellen hohe Anforderungen an die Beständigkeit und Stabilität der verwendeten Werkstoffe. Als Beispiele seien solarselektive Absorber, Komponenten des Antriebsstranges von Verbrennungsmotoren und Rotoren von Turboladern und Turbinen genannt. Die Gewährleistung der Werkstofffunktionalität über die gesamte Lebensdauer erfordert neue Konzepte der Analyse und Prüfung. Dazu wurde am 6MV Ionenbeschleuniger des HZDR mit Fördermitteln des Impuls- und Vernetzungsfonds des Präsidenten der HGF sowie des KFSI ein Cluster-Tool zur in situ Modifizierung und Analyse von Werkstoffen bei Temperaturen von bis zu 1000°C, unter korrosiven Atmosphären und mechanischem Verschleiß aufgebaut.
Kernbestandteil des Cluster-Tools ist eine zentrale Hochvakuum (HV)-Probenaufnahme- und Transferkammer. Diese ist mit weiteren HV-Kammern verbunden, in denen die sequentielle Probensynthese und -modifizierung, die Element- und Strukturanalytik und die optische Charakterisierung erfolgt, ohne das Vakuum zu brechen und die Werkstoffe undefinierten Umgebungsbedingungen auszusetzen. In allen Kammern besteht die Möglichkeit, in situ Heizexperimente bei Temperaturen von bis zu 1000°C durchzuführen. Die mit dem 6MV Tandem-Ionenbeschleuniger verbundene Kammer zur Ionenstrahlanalytik ermöglicht die Untersuchung der Elementzusammensetzung durch Rutherford Rückstreuung und Nuklearer Reaktionsanalyse. Die Schichtzusammensetzung kann bis in eine Tiefe von ca. 1μm auf bis zu 10 nm genau bestimmt werden. Bei Hochtemperaturuntersuchungen reduziert sich die Tiefenauflösung auf etwa 25 nm. Zur strukturellen Charakterisierung der Proben dient ein fasergekoppeltes Ramanspektrometer an der Analysenkammer des Cluster-Tools, dessen Probenkopf über eine Kamera auch die visuelle Beurteilung der Proben ermöglicht. Die Untersuchung der optischen Eigenschaften und deren Abhängigkeit von Temperatur und Atmosphäre erfolgt durch spektroskopische Ellipsometrie in einer Umweltkammer, in der korrosive Umgebungen simuliert werden können. Für 2015 ist die Installation eines in situ Tribometers in Vorbereitung, mit dem das Reib- und Verschleißverhalten von Werkstoffen unter definierten Atmosphären untersucht werden kann.
Zusammengefasst entsteht mit dem Cluster-Tool am 6 MV Ionenbeschleuniger des HZDR ein Messplatz zur umfassenden in situ Modifizierung und Analyse von Werkstoffen, mit Hilfe dessen komplexe Probenbehandlungsprotokolle unter extremen Umgebungsbedingungen bearbeitet werden können.