Hochdruck-Neutronenbeugungsexperimente und Computersimulationen an fluiden Systemen

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit fanden Meßaufenthalte am Forschungsreaktor des Instituts Laue-Langevin (Grenoble, Frankreich) und an der britischen Spallationsquelle ISIS (Oxford, England) statt. Dort wurden Beugungsexperimente an überkritischem Argon unter Verwendung des Isotops Argon-36, an Fluorwasserstoff unter Verwendung von Deuteriumfluorid und an geschmolzenem Zinkchlorid durchgeführt. Die verwendeten Hochdruckapparaturen werden ausführlich dargestellt. Die Daten der Beugungsexperimente an überkritischem Argon-36, Deuteriumfluorid, Zinkchlorid, und zusätzlich die Daten früherer Hochdruck-Neutronenbeugungsexperimente an Propan, einer Propan/Methan- sowie Ethan/Methan-Mischung wurden ausgewertet. Im Fall der molekularen Systeme (Propan, Propan/Methan, Ethan/Methan, Deuteriumfluorid) konnten die Molekülstrukturen bestimmt werden. Nach Abtrennung der intramolekularen Anteile konnte die Dichte- bzw. Temperaturabhängigkeit der mikroskopischen Struktur der untersuchten Systeme bestimmt werden. Zusätzlich wurden statistisch-mechanische Rechnungen an Argon und Monte Carlo Simulationen an den drei Kohlenwasserstoff-Systemen durchgeführt.

The combination of high pressure techniques and neutron diffraction has been shown to be an excellent method for the study of changes of the microscopic structure of liquids over a broad range of densities, since neutrons can penetrate thick-walled sample containers and offer the possibility to separate the partial correlation functions of binary systems or molecular fluids by isotopic substitution techniques. The motivation for the series of neutron diffraction experiments is the lack of experimental data on the structure of liquid and supercritical systems over a broad range of states, which are necessary to test theories of liquids, presented in the last decades.The high pressure diffraction experiments were performed on the D4B diffractometer at the high flux reactor of the Institute Laue-Langevin (ILL) in Grenoble and at the SANDALS time-of-flight diffractometer at the pulsed neutron source ISIS (Rutherford Appleton Laboratory, Chilton, Didcot, United Kingdom). The scattered intensities of argon-36, deuterated propane, a deuterated propane + methane mixture, a deuterated ethane + methane mixture, deuterium fluoride and zinc chloride over a broad range of supercritical and liquid thermodynamic states were measured. The distinct terms and the total atom pair correlation functions of all thermodynamic states were determined. According to the knowledge of the author the experiments on zinc chloride were the first high-pressure diffraction experiments on molten salts. A description of the experimental set-up is given. In addition to the neutron diffraction experiments, Monte Carlo simulations on the three alkane systems and statistical mechanical calculations on argon were performed.