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Bernd Eberhard

• Tungsten has the highest melting point among all metals in the periodic table of elements. Furthermore, its equilibrium vapor pressure is by far the lowest at the temperature given. Thoria, ThO2, as a particle dopant, results in a high temperature creep resistant material. Moreover, thorium covered tungsten surfaces show a drastically reduced electronic work function. This results in a tremendous reduction of tip temperatures of cathodes in discharge lamps, and, therefore, in dramatically reduced tungsten vapor pressures. Thorium sublimates at temperatures below those of a typical operating cathode. For proper operation, a diffusional flow of thorium atoms towards the surface has to be maintained. This atomic flux responds very sensitively on the local microstructure, as grain boundaries as well as dislocation cores offer "short circuit paths" for thorium atoms. In this work, we address some open issues of thoriated tungsten. A molecular dynamics scheme (MD) is used to derive static asTungsten has the highest melting point among all metals in the periodic table of elements. Furthermore, its equilibrium vapor pressure is by far the lowest at the temperature given. Thoria, ThO2, as a particle dopant, results in a high temperature creep resistant material. Moreover, thorium covered tungsten surfaces show a drastically reduced electronic work function. This results in a tremendous reduction of tip temperatures of cathodes in discharge lamps, and, therefore, in dramatically reduced tungsten vapor pressures. Thorium sublimates at temperatures below those of a typical operating cathode. For proper operation, a diffusional flow of thorium atoms towards the surface has to be maintained. This atomic flux responds very sensitively on the local microstructure, as grain boundaries as well as dislocation cores offer "short circuit paths" for thorium atoms. In this work, we address some open issues of thoriated tungsten. A molecular dynamics scheme (MD) is used to derive static as well as dynamic material properties which have their common origin in the atomistic behavior of tungsten and thorium atoms. The interatomic interactions between thorium and tungsten atoms are described within the embedded atom model (EAM). So far, in literature no W-Th interaction potentials on this basis are described. As there is no alloying system known between thorium and tungsten, we have determined material data for the fitting of these potentials using ab-initio methods. This is accomplished using the full potential augmented plane wave method (FLAPW), to get hypothetical, i.e. not occurring in nature, "alloy" data of W-Th. In order to circumvent the limitations of classical (NVE) MD schemes, we eventually couple our model systems to external heat baths or volume reservoirs (NVT, NPT). For the NPT ensemble, we implemented a generalization of the variable cell method in combination with the Langevin piston, which results in a set of Langevin equations, i.e. stochastic differential equations including properly chosen "noise" terms. A new integration scheme is derived for integrating the equations of motion, which closely resembles the well-known Velocity Verlet algorithm. As a first application of the EAM potentials, we calculate the phonon dispersion for tungsten and thorium. Furthermore, the potentials are used to derive the excess volumes of point defects, i.e. for vacancies and Th-impurities in tungsten, grain boundary structures and energies. Additionally, we take a closer look at various stacking fault energies and link the results to the potential splitting of screw dislocations in tungsten into partials. We also compare the energetic stability of screw, edge and mixed-type dislocations. Besides this, we are interested in free enthalpy differences, for which we make use of the Overlapping Distribution Method (ODM), an efficient, albeit computationally demanding, method to calculate free enthalpy differences, with which we address the question of lattice formation, vacancy formation and impurity formation at varying temperatures.…
• Wolfram besitzt den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle des Periodensystems. Zudem ist dessen Gleichgewichtsdampfdruck bei gegebener Temperatur der niedrigste. Thoriumoxid, ThO2, als Festpartikel-Dotierzusatz zu W, resultiert in einem besonders hochtemperaturkriechfesten Material. Darüberhinaus zeigen mit elementarem Thorium bedeckte Wolfram-Oberflächen eine drastisch reduzierte elektronische Austrittsarbeit. Dies führt zu einer enormen Reduktion der Spitzentemperatur von Kathoden in Entladungslampen, und damit ebenfalls dramatisch reduziertem Wolframdampfdruck. Thorium, jedoch, sublimiert bei Temperaturen unterhalb typischer Kathodentemperaturen. Für den bestimmungsgemäßen Gleichgewichtsbetrieb muss ein diffusiver Fluss von Thorium-Atomen an die Oberfläche aufrechterhalten werden. Dieser atomare Fluss reagiert sehr sensibel auf die lokale vorliegende Mikrostruktur, wie Korngrenzen oder Versetzungskerne. In der vorliegenden Arbeit gehen wir auf einige offene Fragen thorierten WolframsWolfram besitzt den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle des Periodensystems. Zudem ist dessen Gleichgewichtsdampfdruck bei gegebener Temperatur der niedrigste. Thoriumoxid, ThO2, als Festpartikel-Dotierzusatz zu W, resultiert in einem besonders hochtemperaturkriechfesten Material. Darüberhinaus zeigen mit elementarem Thorium bedeckte Wolfram-Oberflächen eine drastisch reduzierte elektronische Austrittsarbeit. Dies führt zu einer enormen Reduktion der Spitzentemperatur von Kathoden in Entladungslampen, und damit ebenfalls dramatisch reduziertem Wolframdampfdruck. Thorium, jedoch, sublimiert bei Temperaturen unterhalb typischer Kathodentemperaturen. Für den bestimmungsgemäßen Gleichgewichtsbetrieb muss ein diffusiver Fluss von Thorium-Atomen an die Oberfläche aufrechterhalten werden. Dieser atomare Fluss reagiert sehr sensibel auf die lokale vorliegende Mikrostruktur, wie Korngrenzen oder Versetzungskerne. In der vorliegenden Arbeit gehen wir auf einige offene Fragen thorierten Wolframs ein. Wir verwenden die Molekular-Dynamik Methode (MD), um sowohl statische als auch dynamische Materialeigenschaften zu bestimmen. Interatomare Wechselwirkungen zwischen Thorium- und Wolfram-Atomen werden innerhalb des Embedded-Atom-Modells (EAM) beschrieben. In der Literatur sind keine dazu notwendigen W-Th Wechselwirkungspotenziale beschrieben. Da keine natürlich vorkommenden Legierungen zwischen Thorium und Wolfram bekannt sind, ermitteln wir zur Bestimmung dieser Potentiale Materialdaten, die wir unter Anwendung einer ab-initio Methode, der full potential linear augmented plane wave (FLAPW) Methode, auf hypothetische, d.h. nicht in der Natur vorkommende, binäre W-Th Legierungen von W und Th, ermitteln. Wir umgehen die bekannten Grenzen klassischer (NVE) MD, indem wir unsere Modellsysteme z.T. an externe Wärmebäder oder Volumenreservoirs (NVT, NPT) ankoppeln. Für das NPT-Ensemble implementieren wir eine Verallgemeinerung der "variable cell" Methode in Kombination mit dem "Langevin piston", resultierend in einer Reihe von gekoppelten Langevin-Gleichungen, d.h. stochastischer Differentialgleichungen inklusive geeignet gewähltem "Rauschterm". Für die Integration dieser Bewegungsgleichungen, wird ein neuer Algorithmus, angelehnt an den bekannten "Velocity Verlet"-Algorithmus, abgeleitet. Zunächst verwenden wir die EAM Potentiale, um die Phononendispersion von Wolfram und Thorium zu berechnen. Daneben nutzen wir die Potentiale, um das Exzeßvolumen von Punktdefekten, wie Leerstellen oder Th-Verunreinigungen in Wolfram, Korngrenzstrukturen und -energien, zu bestimmen. Außerdem betrachten wir etwas intensiver die Energetik von Stapelfehlern im Hinblick auf mögliche Aufspaltung von Schraubenversetzungen in Wolfram. Außerdem vergleichen wir die relative energetische Stabilität von Schrauben-, Stufenversetzungen und solche vom gemischten Typ. Da wir auch an Unterschieden in der freien Enthalpie interessiert sind, nutzen wir zudem die "Overlapping Distribution" Methode (ODM), eine effiziente, wenn auch rechenintensive Methode, um freie Enthalpie-Differenzen, wie Gitter-, Leerstellenbildungs- und Löslichkeitsenthalpien als Funktion der Temperatur, zu bestimmen.…