Irradiation of solids in high-pressure diamond anvil cells with relativistic heavy ions: Inducing material modifications such as phase transitions and radiation damage by the simultaneous exposure to particle beams, high pressure and elevated temperatures

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Mit Hilfe von Bestrahlungsexperimenten mit Schwerionen (Energiebereich: viele MeV) können die Auswirkungen des radioaktiven Zerfalls in Materie simuliert werden. Beide Prozesse sind charakterisiert durch die Abbremsung geladener Teilchen in Festkörpern, welche in der Bildung von Strahlenschäden resultiert. Untersuchungen der Wechselwirkung von Ionen mit Festkörpern sind deshalb von großer Bedeutung, insbesondere zur Entwicklung von strahlungsresistenten Materialien (Endlagerung von radioaktivem Abfall, Fusionsreaktor-Materialien). Dieser Antrag zur Durchführung eines Forschungsprojektes beinhaltet ein Vorhaben, das die Stabilität von Festkörpern, die einer energiereichen Teilchenstrahlung (einige 10 GeV) und hohem Druck (bis 0.5 Mbar) und Temperatur ausgesetzt sind, testen soll. Mineralien und insbesondere Pyrochlore als Materialien für Atommüll-Endlagerung mit teilweise besonderen physikalischen (u.a. elektrooptischen, piezoelektrischen und Magnetwiderstand betreffenden) Eigenschaften sollen in eine Hochdruck-Diamantstempelzelle eingebaut werden. Relativistische Ionen sollen durch heizbare Diamantstempel in die Probe injiziert werden. Die Auswirkungen von Strahlung, Druck und Temperatur werden anschließend mit verschiedenen sich ergänzenden Analysemethoden untersucht. Untersuchungen mittels hochauflösender Transmissions-Elektronen-Mikroskopie einschließlich Elektronenbeugung sollen hierbei eine zentrale Rolle spielen, da es sich um eine wichtige Methode handelt, mit der sich Strahlenschäden und Phasenumwandlungen auf der Nanometerskala charakterisieren lassen. Es wird erwartet, dass neue Einblicke in die völlig offene Frage gewährt werden, wie Festkörper auf den enormen Energieeintrag der Schwerionen, den hohen Druck sowie eine hohe Temperatur reagieren. Die wichtige Fragestellung, ob Produkte des radioaktiven Zerfalls im Erdinneren Phasenumwandlungen in natürlichen Mineralien hervorrufen können, lässt sich zum ersten Mal klären.