Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakult�t

Institut f�r Physik

Fachgebiet: Experimentalphysik

Betreuer: Prof. Dr. Ronald Redmer



M.Sc. Christian Pl�ckthun
(e-mail: ch.pl@gmx.net )

Investigating the effect of the compression rate on the kinetic response of diamond anvil cell experiments

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 Verst�ndnisses vom Verhalten von geologischen Materialien unter extremen Bedingungen, die etwas f�r das (Exo-) Planeteninnere relevant sind. Jedoch ist aufgrund der unterschiedlichen Zeitdauer und den Dehnungsraten kein direkter Vergleich ihrer Ergebnisse m�gliche. 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 R�ntgenstrahlung die PETRA III, DESY bereitstellt. Dabei wurden als Referenz f�r eine Ver�nderung die Mikro- und Differenzspannungsentwicklung als auch die Gitterparameterentwicklung und das Einsetzen von Spin- oder Phasen�berg�ngen verwendet. Aus diesen Untersuchungen ging hervor, dass die Mikrospannungsentwicklung unabh�ngig von Dehnungsraten im Bereich von 10-4 s-1 - 100 s-1 ist, w�hrend die differentielle Spannungsentwicklung stark von der Dehnungsrate oder der Verwendung eines druck�bertragenden Mediums beeinflusst wird. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Dehnungsrate, ausgehend vom Dichtungsmaterial, die Entwicklung der Textur beeinflusst, w�hrend sie ebenfalls den aktiven Verformungsmechanismus bei Dehnungsraten zwischen 100 s-1 - 102 s-1 ver�ndert. Dar�ber hinaus wurde eine Verschiebung des Anfangsdrucks des Spin- und des rB1 → B1-�bergangs in [Fe,Mg]O als Folge schnellerer Kompressionsraten beobachtet, nicht aber beim α → ε �bergang von Fe. Des Weiteren wurde eine Inkonsistenz der thermischen Druckentwicklung von Pt beobachtet, was auf deren Abh�ngigkeit von der Probenumgebung im Experiment hinweist. Zu guter Letzt wurde durch erste Experimente am HED Instrument, European XFEL die Zeitabh�ngigkeit des rB1 → B1-�bergangs in [Fe,Mg]O bei erh�hter Temperatur demonstriert sowie die F�higkeit, Puls aufgel�ste R�ntgendiffraktionsbilder bei einer 2,25 - 4,5 MHz Wiederholungsrate zu erhalten.