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The Effect of Pressure on Ion Track Formation in Minerals

Lang, Maik Kurt

German Title: Druckeinfluss auf Ionenspurbildung in Mineralien

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Abstract

In many dielectrics, energetic heavy ions produce thin cylindrical damage zones along their trajectories. Massive physical and chemical changes can occur in these ion tracks with diameters of several nm. In nature, such trails are generated by spontaneous fission of 238U-nuclei. So far, irradiation experiments with heavy ions were always performed under vacuum conditions. Studies of ion-track formation in pressurized solids are expected to contribute to an improved understanding of the creation conditions for fission tracks in the Earth�s crust. Such experiments will be important for dating of geological samples using the fission-track technique. In addition, it is a question of great interest whether the energy deposition of swift heavy ions in a solid, being exposed to extreme pressure, can induce specific phase transitions. This work describes the first experiments on ion track formation under high pressures up to 140 kbar which were performed at GSI by injecting relativistic heavy ions, accelerated with the SIS-heavy-ion synchrotron, through the diamond anvils of a high-pressure cell. It turned out that high pressures can significantly affect the interaction between heavy ions and solids. The effects observed include the suppression of track formation, the complete recrystallization, and the nucleation of new phases.

Translation of abstract (German)

Energiereiche Schwerionen erzeugen in vielen Dielektrika längs ihrer Trajektorien dünne zylindrische Schadenszonen. In diesen Ionenspuren mit Durchmessern von einigen nm kann es zu massiven physikalischen und chemischen Materialveränderungen kommen. In der Natur entstehen solche Spuren durch spontane Spaltung von 238U-Kernen. Bisher wurden Bestrahlungsexperimente mit Schwerionen immer unter Vakuumbedingungen durchgeführt. Untersuchungen zur Ionenspurbildung in Festkörpern, die hohen Drücken ausgesetzt sind, sollen zu einer Klärung der Erzeugungsbedingungen für Spaltspuren im Erdmantel beitragen. Solche Experimente sind wichtig für die Datierung geologischer Proben mittels der Spaltspuren-Datierungsmethode. Des weiteren ist die Frage von großem Interesse, ob energiereiche Schwerionen durch ihren Energieeintrag bestimmte Phasenübergänge in unter sehr hohen Drücken stehenden Festkörpern auslösen können. Diese Arbeit beschreibt die ersten Experimente bei GSI bezüglich Ionenspurbildung unter hohen Drücken bis 140 kbar, bei denen relativistische Schwerionen vom SIS-Schwerionensynchrotron durch die Diamantstempel einer Hochdruckzelle injiziert wurden. Es zeigte sich, dass hohe Drücke die Wechselwirkung zwischen Schwerionen und Festkörpern beträchtlich verändern können. Es wurden Effekte beobachtet wie Unterdrückung von Ionenspurbildung, vollständige Rekristallisation und Bildung neuer Phasen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Neumann, Prof. Dr. Reinhard
Date of thesis defense: 1. December 2004
Date Deposited: 29. Dec 2004 11:47
Date: 2004
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Hochdruckphysik, Schwerionenwechselwirkung, Schwerionenstrahl, Darmstadt / Gesellschaft für Schwerionenforschung
Uncontrolled Keywords: Diamantstempelzelle , Phasenumwandlungen , Strahlenschädendiamond anvil cell , phase transition , heavy ion irradiation , high pressure , radiation damage
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