Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.

A crack on the interface of piezo-electric bodies

Singularities of elastic and electric fields are investigated at the tip of a crack on the interface of two anisotropic piezo-electric media under various boundary conditions on the crack surfaces. The Griffith formulae are obtained for increments of energy functionals due to growth of the crack and the notion of the energy release matrix is introduced. Normalization conditions for bases of singular solution are proposed to adapt them to the energy, stress, and deformation fracture criteria. Connections between these bases are determined and additional properties of the deformation basis related to the notion of electric surface enthalpy are established.

Nitrogen use efficiency and optimization of nitrogen fertilizer application for stable yields and high quality of cereals grown in conservation agriculture

In most agroecosystems, nitrogen (N) is the most important nutrient limiting plant growth. One management strategy that affects N cycling and N use efficiency (NUE) is conservation agriculture (CA), an agricultural system based on a combination of minimum tillage, crop residue retention and crop rotation. Available results on the optimization of NUE in CA are inconsistent and studies that cover all three components of CA are scarce. Presently, CA is promoted in the Yaqui Valley in Northern Mexico, the country´s major wheat-producing area in which from 1968 to 1995, fertilizer application rates for the cultivation of irrigated durum wheat (Triticum durum L.) at 6 t ha-1 increased from 80 to 250 kg ha-1, demonstrating the high intensification potential in this region. Given major knowledge gaps on N availability in CA this thesis summarizes the current knowledge of N management in CA and provides insights in the effects of tillage practice, residue management and crop rotation on wheat grain quality and N cycling. Major aims of the study were to identify N fertilizer application strategies that improve N use efficiency and reduce N immobilization in CA with the ultimate goal to stabilize cereal yields, maintain grain quality, minimize N losses into the environment and reduce farmers’ input costs. Soil physical and chemical properties in CA were measured and compared with those in conventional systems and permanent beds with residue burning focusing on their relationship to plant N uptake and N cycling in the soil and how they are affected by tillage and N fertilizer timing, method and doses. For N fertilizer management, we analyzed how placement, time and amount of N fertilizer influenced yield and quality parameters of durum and bread wheat in CA systems. Overall, grain quality parameters, in particular grain protein concentration decreased with zero-tillage and increasing amount of residues left on the field compared with conventional systems. The second part of the dissertation provides an overview of applied methodologies to measure NUE and its components. We evaluated the methodology of ion exchange resin cartridges under irrigated, intensive agricultural cropping systems on Vertisols to measure nitrate leaching losses which through drainage channels ultimately end up in the Sea of Cortez where they lead to algae blooming. A throughout analysis of N inputs and outputs was conducted to calculate N balances in three different tillage-straw systems. As fertilizer inputs are high, N balances were positive in all treatments indicating the risk of N leaching or volatilization during or in subsequent cropping seasons and during heavy rain fall in summer. Contrary to common belief, we did not find negative effects of residue burning on soil nutrient status, yield or N uptake. A labeled fertilizer experiment with urea 15N was implemented in micro-plots to measure N fertilizer recovery and the effects of residual fertilizer N in the soil from summer maize on the following winter crop wheat. Obtained N fertilizer recovery rates for maize grain were with an average of 11% very low for all treatments.