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Alexander Puth

• The active screen plasma nitrocarburizing (ASPNC) technology is a state-of-the-art plasma-assisted heat treatment for improving surface hardness and wear resistance of metallic workpieces based on thermochemical diffusion. In comparison to conventional plasma nitrocarburizing, the use of an active screen (AS) improves thermal homogeinity at the workload and reduces soot formation. Further it can serve as a chemical source for the plasma processes, e.g. by use of an AS made of carbon-fibre reinforced carbon. This compilation of studies investigates the plasma-chemical composition of industrial- and laboratory-scale ASPNC plasmas, predominantly using in-situ laser absorption spectroscopy with lead-salt tuneable diode lasers, external-cavity quantum cascade lasers, and a frequency comb. In this way the temperatures and concentrations of the dominant stable molecular species HCN, NH3, CH4, C2H2, and CO, as well as of less prevelant species, were recorded as functions of e.g. the pressure, the applied plasma power, the total feed gas flow and its composition. Additionally, the diagnostics were applied to a chemically similar plasma-assisted process for diamond deposition. Resulting from this thesis are new insights into the practical application of an AS made of CFC, the plasma-chemistry involving hydrogen, nitrogen, and carbon, and the particular role of CO as an indicator for reactor contamination. The effect of the feed gas composition on the resulting nitrogen- and carbon-expanded austenite layers was proven by combination of in-situ laser absorption spectroscopy with post-treatment surface diagnostics. Furthermore this work marks the first use of frequency comb spectroscopy with sub-nominally resolved Michelson interferometry for investigation of a low-pressure molecular discharge. This way the rotational bands of multiple species were simultaneously measured, resulting in temperature information at a precision hitherto not reached in the field of nitrocarburizing plasmas.
• Die Aktivgitter Plasmanitrocarburier (active screen plasma nitrocarburizing, ASPNC) Technologie ist eine moderne plasma-gestützte Wärmebehandlung zur Erhöhung der Oberflächenhärte und Verschleißbeständigkeit von metallischen Werkstoffen durch thermochemische Diffusion. Im Vergleich zum konventionellen Plasmanitrocarburiern, verbessert der Einsatz eines Aktivgitters (active screen, AS) die thermische Homogenität am Werkstück und reduziert die Rußbildung. Des Weiteren, z.B. durch Nutzung eines AS aus kohlenstofffaserverstärkertem Kohlenstoff, kann das Aktivgitter als Quelle für plasmachemische Prozesse dienen. In dieser Arbeit werden Untersuchungen der plasma-chemischen Zusammensetzung von ASPNC Plasmen auf Industrie- und Laborgrößenordnung vorgestellt, die in großen Teilen durch in-situ Laserabsorptionsspektroskopie mit Bleisalzlasern, Quantenkaskadenlasern und einem Frequenzkamm durchgeführt wurden. Diese Studien beinhalten die Temperaturen und absoluten Konzentrationen der stabilen molekularen Spezies HCN, NH3, CH4, C2H2, CO, und weiterer Spezies, in Abhängigkeit von z.B. dem Druck, der eingestellten Plasmaleistung, des zugeführten Gasflusses und dessen Zusammensetzung. Zusätzlich beinhaltet diese Arbeit eine Studie zur Anwendung der laserspektroskopischen Diagnostik am plasma-gestützten Verfahren der Diamantabscheidung. Diese Arbeit erschließt Aspekte der praktischen Anwendung eines Kohlestoff-Aktivgitters, der Plasmachemie von Mischungen von Wasserstoff, Stickstoff und Kohlenstoff und insbesondere die Rolle von CO als Indikator für die Reaktorkontamination durch Sauerstoff. Durch die Kombination von in­-situ Laserabsorptionsspektroskopie und Materialdiagnostik, wurde des Weiteren ein Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung des zugeführten Gases und der resultierenden Materialeigenschaften nachgewiesen. Letztlich zeichnet diese Arbeit den ersten Einsatz der Frequenzkamm-Spektroskopie aus mit der das molekulare Plasma bei niedrigen Drücken breitbandig untersucht wurde. Damit wurden rotationelle Banden von mehreren Spezies gleichzeitig gemessen, wodurch die Temperaturen mit einer Präzision gemessen wurden, die bisher im Feld der Nitrocarburierplasmen nicht erreichbar war.