Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

Institut für Physik

Fachgebiet: Experimentalphysik

High pressure and high temperature experiments using either dynamic (shock, ramp) or static compression techniques play a fundamental role in improving our understanding of the behaviour of matter under extreme conditions relevant to (exo-) planetary interiors. However, a direct comparison of their results is not possible, due to the difference in time scales and strain rates. This work examines the high pressure behaviour of cubic and hexagonal symmetric sample materials (Au, Pt, Re, Zn, Fe, [Fe,Mg]O) at the intermediate compression rates and by means of the recent developed piezo-driven dynamic diamond anvil cell in combination with the hard X-rays from the PETRA III, DESY facility. In this process, the micro-stress and differential stress evolution as well as the lattice parameter development and the onset of spin or phase transitions were used as the reference of a change. From those studies it was proven that the micro-stress evolution is indifference to strain rates of 10^-4 s^-1 – 10⁰ s^-1, whereas the differential stress evolution is highly dependent on the strain rate or the use of a pressure transmitting medium. Furthermore, it was shown that the strain rate, dependent on the gasket material, affects the development of texture, while it can also change the preferred active deformation mechanism at strain rates between 10⁰ s^-1 – 10² s^-1. Moreover, a shift in the onset pressure of the spin crossover and the rB1 → B1 transition in [Fe,Mg]O was observed as a result of faster compression rates, but not in the α → ε transition of Fe. In addition, an inconsistence of the thermal pressure evolution of Pt was found, indicating a dependence on the sample environment. Ultimately, from first commissioning experiments at the HED instrument, European XFEL the time dependence of the rB1 → B1 transition in [Fe,Mg]O at elevated temperature was demonstrated as well as the capability to obtain pulse-to-pulse resolved XRD images at 2.25 – 4.5 MHz resolution.

Hochdruck- und Hochtemperaturexperimente, die entweder auf dynamischer (Shock, Ramp) oder statischer Kompression basieren, spielen eine fundamentale Rolle in der Erweiterung unseres Verständnisses vom Verhalten von geologischen Materialien unter extremen Bedingungen, die etwas für das (Exo-) Planeteninnere relevant sind. Jedoch ist aufgrund der unterschiedlichen Zeitdauer und den Dehnungsraten kein direkter Vergleich ihrer Ergebnisse mögliche. Diese Arbeit befasst sich mit dem Hochdruckverhalten von kubisch und hexagonal symmetrischen Proben (Au, Pt, Re, Zn, Fe, [Fe,Mg]O) bei den mittleren Kompressionsraten und untersucht sie mit Hilfe der neu entwickelten piezoangetriebenen dynamischen Diamantstempelzelle und in Kombination mit der harten Röntgenstrahlung die PETRA III, DESY bereitstellt. Dabei wurden als Referenz für eine Veränderung die Mikro- und Differenzspannungsentwicklung als auch die Gitterparameterentwicklung und das Einsetzen von Spin- oder Phasenübergängen verwendet. Aus diesen Untersuchungen ging hervor, dass die Mikrospannungsentwicklung unabhängig von Dehnungsraten im Bereich von 10^-4 s^-1 - 10⁰ s^-1 ist, während die differentielle Spannungsentwicklung stark von der Dehnungsrate oder der Verwendung eines druckübertragenden Mediums beeinflusst wird. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Dehnungsrate, ausgehend vom Dichtungsmaterial, die Entwicklung der Textur beeinflusst, während sie ebenfalls den aktiven Verformungsmechanismus bei Dehnungsraten zwischen 10⁰ s^-1 - 10² s^-1 verändert. Darüber hinaus wurde eine Verschiebung des Anfangsdrucks des Spin- und des rB1 → B1-Übergangs in [Fe,Mg]O als Folge schnellerer Kompressionsraten beobachtet, nicht aber beim α → ε Übergang von Fe. Des Weiteren wurde eine Inkonsistenz der thermischen Druckentwicklung von Pt beobachtet, was auf deren Abhängigkeit von der Probenumgebung im Experiment hinweist. Zu guter Letzt wurde durch erste Experimente am HED Instrument, European XFEL die Zeitabhängigkeit des rB1 → B1-Übergangs in [Fe,Mg]O bei erhöhter Temperatur demonstriert sowie die Fähigkeit, Puls aufgelöste Röntgendiffraktionsbilder bei einer 2,25 - 4,5 MHz Wiederholungsrate zu erhalten.