Hochdruck-Röntgenpulverdiffraktometrie an Cer und Cer-Lanthanid-Legierungen zur Bestimmung von Zustandsgleichungen und Phasenumwandlungen / von Andreas Schiwek [original]

Hochdruck-

Röntgenpulverdiffraktometrie

an Cer und

Cer-Lanthanid-Legierungen zur

Bestimmung von Zustandsgleichungen

und Phasenumwandlungen

Dem Department Physik der

Fakultät für Naturwissenschaften an der Universität Paderborn

zur Erlangung des akademischen Grades eines

Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer.nat.)

vorgelegte

Dissertation

von

Andreas Schiwek

Paderborn, 29. Januar 2003

Erster Gutachter: Prof. Dr. W.B. Holzapfel

Zweiter Gutachter: Prof. Dr. G. Wortmann

Inhaltsverzeichnis

1 EINLEITUNG.........................................................................................................7

2 EXPERIMENTELLES............................................................................................9

Röntgenbeugung 9

EDXD und ADXD .............................................................................................................................9

Synchrotronstrahlung und - strahlungsquellen 10

DORIS III........................................................................................................................................11

ESRF..............................................................................................................................................12

Messplätze .....................................................................................................................................13

Hochdrucktechnik 16

Auswerteprogramme......................................................................................................................27

3 ZUSTANDSGLEICHUNGEN...............................................................................29

Festkörper bei geringer Kompression 29

Festkörper unter extremen Bedingungen 31

Zustandsgleichungen über weite Druckbereiche 32

Ideale Festkörper ...........................................................................................................................32

Reale Festkörper............................................................................................................................34

4 STRUKTURELLE SYSTEMATIK DER LANTHANID- UND AKTINIDELEMENTE

UNTER DRUCK ..................................................................................................37

Systematik der Lanthanidelemente 37

Aktuelle Messungen an Gadolinium 41

Simulierte Beugungsbilder von Lanthanidstrukturen 45

Strukturelle Systematik der Aktinidelemente 51

5 CER.....................................................................................................................53

α−ε−(cF4-tI2)-Phasenübergang .....................................................................................................55

6 EOS-MODELL FÜR ANOMALE PV-VERLÄUFE AM BEISPIEL VON CER......59

γ−α−(cF4-cF4)-Phasenübergang ...................................................................................................59

7 CER-LANTHANIDLEGIERUNGEN.....................................................................65

Lanthan-Praseodym-Legierungen 66

Cer-Prasoedym-Legierungen 70

..........................................................................................................................................71

..........................................................................................................................................73

Cer-Samarium-Legierungen 75

Cer-Dysprosium-Legierungen 77

Cer-Thulium-Legierungen 79

Diskussion der Strukturen 83

tI2-Struktur......................................................................................................................................83

oC4-Struktur...................................................................................................................................84

8 GENERALISIERTES PHASENDIAGRAMM DER CER-LANTHANID-

LEGIERUNGEN ..................................................................................................85

9 ZUSAMMENFASSUNG ......................................................................................89

10 LITERATUR ........................................................................................................91

11 MESSDATEN......................................................................................................99

12 PUBLIKATIONEN .............................................................................................121

Abbildungen

Abbildung 1: DORIS III [Ha02]...........................................................................................11

Abbildung 2: ESRF-Ringübersicht [Es02].........................................................................12

Abbildung 3: Messplatz F3................................................................................................13

Abbildung 4: MAX80-Presse am HASYLAB [Gf02]...........................................................14

Abbildung 5: Ansicht des Messplatzes ID30 [Es02].........................................................15

Abbildung 6: Syassen-Holzapfel-Zange ...........................................................................16

Abbildung 7: Innenansicht der Diamantstempelzelle......................................................16

Abbildung 8: MAX80 [Gf02]................................................................................................19

Abbildung 9: Fluoreszenzintensitäten von Lanthan-Praseodym-Legierungen .............20

Abbildung 10: Fluoreszenzintensitäten von Cer-Lanthan-Legierungen...........................21

Abbildung 11: Fluoreszenzintensitäten von Cer-Samarium-Legierungen.......................21

Abbildung 12: Fluoreszenzintensitäten von Cer-Praseodym-Legierungen .....................22

Abbildung 13: Fluoreszenzintensitäten von Cer-Dysprosium-Legierungen....................22

Abbildung 14: Fluoreszenzintensitäten von Cer-Thulium-Legierungen...........................23

Abbildung 15: Normaldruckvolumen von Lanthan-Praseodym-Legierungen .................24

Abbildung 16: (cF4)-Normaldruckvolumen von Cer-Praseodym-Legierungen................24

Abbildung 17: Normaldruckvolumen von Cer-Lanthan-Legierungen ..............................25

Abbildung 18: Normaldruckvolumen von Cer-Samarium-Legierungen...........................25

Abbildung 19: Normaldruckvolumen von Cer-Dysprosium-Legierungen........................26

Abbildung 20: Normaldruckvolumen von Cer-Thulium-Legierungen ..............................26

Abbildung 21: η

ηη

η-Plot für Natrium [Wi96] .............................................................................33

Abbildung 22: Lanthanid- und Aktindelemente [SW80].....................................................37

Abbildung 23: reguläre Strukturen der Lanthanide [Ak96]................................................38

Abbildung 24: Phasendiagramm der Lanthanide bei 300 K (teilweise aus [Ho95])...........40

Abbildung 25: ADXD-Messungen an Gadolinium bei 67 GPa...........................................42

Abbildung 26: EDXD-Spektrum von Gadolinium bei 67 GPa ............................................43

Abbildung 27: Kompression von Gadolinium, aktuelle Messdaten und EOS nach [Gr87]

......................................................................................................................................44

Abbildung 28: β

ββ

β- Cer (hP4)-Beugungsbild..........................................................................46

Abbildung 29: γ

γγ

γ- Cer und α

αα

α- Cer (cF4)-Beugungsbild........................................................46

Abbildung 30: α

αα

α´´- Cer (mC4)-Beugungsbild......................................................................47

Abbildung 31: ε

εε

ε- Cer (tI2)-Beugungsbild ............................................................................47

Abbildung 32: α

αα

α´- Cer (oC4)-Beugungsbild........................................................................48

Abbildung 33: Praseodym (hR24)-Beugungsbild ..............................................................48

Abbildung 34: Samarium (hP3)-Beugungsbild...................................................................49

Abbildung 35: Samarium (hR9)-Beugungsbild ..................................................................49

Abbildung 36: Gadolinium (hP2)-Beugungsbild................................................................50

Abbildung 37: Generalisiertes Legierungsphasendiagramm für die Aktinide aus [Hm02]

......................................................................................................................................51

Abbildung 38: Cer-Phasendiagramm aus der Literatur [ZH97].........................................54

Abbildung 39: Isobaren am cF4-tI2 α−ε−

α−ε−α−ε−

α−ε−Phasenübergang von Cer..................................55

Abbildung 40: Spektren vor und nach dem α−ε−

α−ε−α−ε−

α−ε−Phasenübergang von Cer ....................56

Abbildung 41: c/a-Verhältnis von Cer als Funktion des Volumens..................................57

Abbildung 42: Cer-Phasendiagramm..................................................................................58

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