Die stetig steigende Strahleistung moderner Teilchenbeschleuniger erfordert funktionale Materialien die unter extremsten Betriebsbedingungen standhalten, insbesonders bei der direkten Interaktion mit Partikelstrahlen. Dabei umfassen diese Bedingungen sowohl große thermische Lasten, mechanischen und thermischen Stress als auch Strahlenschäden, die allesamt durch intensive Hochleistungsstrahlen erzeugt werden. Im Vergleich zu Protonenbeschleuniger sind Strahlenschäden eine besonders große Herausforderung für Schwerionenbeschleuniger wie der Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) in Darmstadt. In verschiedensten Beschleunigerkomponenten finden sich dabei häufig kohlenstoffbasierte Materialien. Graphit wird z.B. in Beam Dumps oder Produktionstargets für Sekundärteilchenstrahlen verwendet, während in Teilchendetektoren Diamant als aktives Material eingesetzt wird. Graphit als auch Diamant besitzen aufgrund ihres niedrigen Bremsvermögen eine hohe Strahlenhärte gegenüber teilcheninduzierten Defekten, welche bereits umfangreich in beiden Materialien untersucht wurde. Ebenfalls von Vorteil in Hochdosisumgebungen ist der niedrige Aktivierungsquerschnitt von Graphit und Diamant im Vergleich zu Metallwerkstoffen. Diese Arbeit fokussiert sich zum einen auf die dynamischen Effekte hochintensiver Strahlpulse in Graphitwerkstoffen und zum anderen mit der möglichen Nutzung von Diamanten als Lumineszenschirm zur Strahldiagnose hochintensiver Schwerionenstrahlen.

Diamantbasierte Metal Matrix Komposite, produziert aus Typ Ib Diamantpulver, monokristalline Typ Ib und Typ IIa Diamanten wurden mit verschiedenen Schwerionen am UNILAC Beschleuniger des GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt bestrahlt. Dabei wurde on-line Ionolumineszenz Spektroskopie mit in-situ UV/vis und Infrarot Absorptionsspektroskopie kombiniert, um die strahleninduzierte Änderung intrinsischer und extrinsischer Defekte im Diamantgitter zu charakterisieren. Strahleneffekte entlang der Eindringtiefe der Ionen wurden mit tiefenaufgelöster Raman und Photolumineszenz-Spektroskopie untersucht.

Das Ionolumineszenzsignal von diamantbasierten Kompositen und Typ Ib Diamanten nimmt während der Bestrahlung mit Schwerionen bereits bei niedrigen Ionenfluenzen rapide ab. Die strahlinduzierten Entwicklung von Defekten, die mit UV/vis Absorptionsspektroskopie untersucht wurden, ist nur geringfügig unterschiedlichen zwischen Typ Ib und Typ IIa Diamanten. Optische Mikroskopie von bestrahlten Diamanten zeigt deren strahlinduzierte Verfärbung, welche mit einem Transmissionsverlust einhergeht. Ein signifikanter Anstieg der Absorption wurde jedoch erst bei höchsten Fluenzen observiert, der daher nicht signifikant zur Abnahme der Ionolumineszenz beiträgt. Tiefenaufgelöste Photolumineszenzspektren zeigen, dass Farbzentren überwiegend in Bereichen von hohem elektronischen Energieverlusts erzeugt werden. Dabei besitzen alle untersuchten Farbzentren einen nichtlinearen Trend mit steigender Ionenfluenz, der durch einen Grenzwert strahlinduzierter Vakanzen erklärt wird. Die auf verschiedenen Diamantproben durchgeführten Bestrahlungsexperimente dieser Thesis weisen darauf hin, dass diamantbasierte Metal Matrix Komposite große Nachteile als Lumineszenschirme für hochintensive Schwerionenstrahlen besitzen.

Um die Effekte einzelner Hochleistungsstrahlpule zu untersuchen wurden verschiedene Graphitwerkstoffe in einem dediziertem Experiment an der High-Radiation to Material Facility (HiRadMat) am CERN mit 440 GeV/c Protonenstrahlen bestrahlt. Die dabei erzeugten Energiedichten im Bereich mehrer kJ/g führen zu einer dynamischen Reaktion der bestrahlten Proben, die mit einem mechanischen Schock vergleichbar ist, und durch Laser Doppler Vibrometer on-line überwacht wurde.

Eine Korrelation zwischen Mesostruktur und Dämpfung der strahlinduzierten dynamischen Reaktion wurde in verschiedenen polykristallinen Graphiten observiert. Elastische Druckwellen werden von Materialien mit kleinerer Partikelgrößen weniger gedämpft, während eine zusätzliche Binderphase die Dämpfung erhöht. Thermomechanische Finite-Elemente-Simulationen von polykristallinem Graphit SGL R6650 zeigen eine elastische Materialreaktion bis hin zur maximalen Strahlintensität im Experiment. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass dieser Graphitwerkstoff daher sicher im Produktionstarget des Superconducting Fragment Separator (Super-FRS) von FAIR benutzt werden kann. Kompositproben, bestehend aus verschiedenen Graphithüllen mit eingepressten Tantalkernen, wurden benutzt um strahlinduzierte Spannungen zu erzeugen, die möglicherweise zum Versagen der Graphithülle führen. Die maximale Oberflächengeschwindigkeit dieser Proben zeigt eine nichtlineare Entwicklung mit steigender strahlinduzierter Energiedichte im Tantalkern, was auf das Einsetzen von (lokalem) Versagen der Graphithüllen zurückgeführt wird. Die dynamische Reaktion von hochfesten carbonfaserverstärktem Graphiten degradiert schneller im Vergleich zu weniger festen Materialien wie polykristallinem Graphit oder sogar niederdichtem Graphitschaum. Diese Arbeit zeigt eine breite Übersicht an Graphitwerkstoffen und deren strahlinduzierter dynamischer Reaktion und ist eine erste experimentelle Validation dieser Werkstoffe für eine mögliche Anwendung in der Beschleunigeranlage von FAIR und ist zum anderen eine Basis für die Entwicklung komplexer Materialmodelle für thermomechanische Simulationen von (anisotropen) Graphitmaterialien bei der Bestrahlung mit Hochleistungspulsen.