Institute for Applied Materials - Energy Storage Systems

Stroboskopie mit hoher Winkelauflösung

Aufbau und Inbetriebnahme einer Messoption für stroboskopische, zeitaufgelöste Messungen an polykristallinen Proben mittels hoch winkelaufgelöster Pulverbeugung.
Strobo

Im Rahmen dieses Verbundprojekts wird für den Messplatz P02.1 an PETRA III/DESY eine Messoption für stroboskopische Pulverdiffraktionsmessungen für den hochauflösenden Multianalysatordetektor (MAD) mit einer Zeitauflösungsoption im Bereich von 1µs und schneller realisiert.

Der Messplatz P02.1 dient der Synchrotronbeugung an polykristallinen Proben (Pulverbeugung) bei einer festen Photonenenergie von 60keV. Unter anderem ist dort auch ein hoch winkelauflösender Detektor mit zehn Analysatorkristallen und Szintillationszählern im Einsatz (MAD). Mit Hilfe stroboskopischer Methoden wird für diesen Detektor eine Messoption aufgebaut, die Zeitauflösungen im Bereich von Mikrosekunden ermöglicht, bei gleichzeitigem Erhalt der maximalen Winkelauflösung.

Mit dieser auch pump-and-probe genannten Methode werden die strukturellen Änderungen in ferro- und piezoelektrischen Materialien während des Schaltens unter elektrischem Feld untersucht. Ferroelektrische Materialien führen bei Anlegen eines elektrischen Feldes makroskopische Dehnungen aus, die unter anderem in sehr schnellen Aktoren Anwendung finden. Mikroskopisch können diese Dehnungen einerseits durch den intrinsischen Piezoeffekt erklärt werden, andererseits durch das Umklappen von Domänen und das Umwandeln in kristallographische Phasen anderer Symmetrie, wobei jedes Mal eine anisotrope Volumenänderung damit einhergeht. Beim intrinsischen Piezoeffekt verschieben sich im Kristallgitter Ladungen, was zu einer Verzerrung der Kristallstruktur und damit zu einer Längenänderung führt. Je nach Symmetrie des Kristallgitters behindern sich diese Verzerrungen gegenseitig, so dass es zur Ausbildung gegeneinander gekippter Domänen kommen kann, bzw. zum Umklappen ganzer Domänen im Feld, um für die aufgezwungene Polarisation eine energetisch günstigere Orientierung zu erreichen. Diese Effekte hängen sehr stark von der Stöchiometrie der Probe, den Herstellungsbedingungen und der Vorgeschichte des Materials wie Alterung und Ermüdung ab. Die Zeitkonstanten der einzelnen Prozesse und deren Änderung über die Nutzungszyklen hinweg sind in der Regel unterschiedlich und können durch stroboskopische Methoden getrennt voneinander untersucht werden. Bei stroboskopischen Methoden wird das anregende Signal, wie z.B. ein rechteckförmiger Spannungspuls (elektrisches Feld) als pump-Signal mit der Auslesung des Detektors als probe genau synchronisiert. Der ausgelesene Detektorwert kann dann nachträglich genau einem Zeitpunkt im Signalverlauf des pump Signals zugeordnet werden und beschreibt den Zustand des Materials zu diesem Zeitpunkt. Synchronisation und Speicherung der Auslesewerte erfolgt über eine FPGA Elektronik (Field Programmable Gate Array).

Förderkennzeichen: 05K13VK1