Experimentelle Untersuchungen zur ioneninduzierten Elektronenemission aus Kernfusions-relevanten Oberflächen

Abstract

Die ioneninduzierte Elektronenemission, die bei Ionenbeschuss von Oberflächen auftritt ist für die Plasma-Wand-Wechselwirkung in modernen Kernfusionsexperimenten von Interesse. Unter anderem ist die vom Plasma an die Wände des Reaktorgefässes abgegebene Leistung davon abhängig. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Experiment zur Messung der totalen ioneninduzierten Elektronenemissionsausbeute (engl. ion-induced electron emission yield) von leitenden Oberflächen gebaut. Das dem Experiment zugrunde liegende Funktionsprinzip ist eine Strommessmethode. Der experimentelle Aufbau erlaubt das Reinigen der zu untersuchenden Oberfläche mittels Zerstäubung unter streifendem Winkel durch eine separat angebrachte 2kV Ar-Sputtergun. Die gebaute Anlage ist für Ultrahochvakuum (UHV), bei Drücken um 10 -10mbar, ausgelegt. Für die Messelektronik und die Datenerfassung wurde auf ein Vorgängerexperiment [1] zurückgegriffen. Untersuchungen der ioneninduzierten Elektronenemissionsausbeute von Wolfram, als Kernfusions-relevante Oberfläche, werden präsentiert. Die Oberfläche wurde mit den in der Randschicht von Fusionsplasmen typisch vorkommenden Ionen He+, He2+, D+ sowie mit C+ und C3+ beschossen. Um die Zuverlässigkeit des gebauten Experiments zu testen, wurde noch vor den Wolframexperimenten der Beschuss von Gold mit H+ und He+ untersucht und die gemessenen Ergebnisse mit Daten aus der Literatur verglichen. Der Zusammenhang zwischen der Elektronenausbeute und dem Bremsvermögen (engl. stopping power) dE/dx für H+ in Gold werden präsentiert.

Ion-induced electron emission which takes place during ion-bombardement of surfaces is of interest in plasma-wall-interaction in modern nuclear fusion experiments. The power dissipated from the plasma to the wall of the reactor vessel, among other important quantities, is determined by this phenomenon. In this work an experimental setup to measure the total ion-induced electron yield of conducting target surfaces was realized. The working principle of the experiment is based on current measurements. The properties of the setup allow sputter cleaning of the target surface under grazing incident by a separately mounted 2kV Ar sputter gun. The experiment is operated in ultra high vacuum (UHV) conditions, in the 10 -10mbar pressure range. A sophisticated system from a previous experiment [1] was re-used for the measurement electronics and data acquisition. Investigations of the ion-induced electron emission yield of tungsten, which is a first wall material in nuclear fusion, are presented. The surface was bombarded with He+, He2+, D+, C+ and C3+, ions that are typically encountered in the sheath plasma of fusion devices. Precedent to the tungsten yield measurements, the electron emission of gold irradiated with H+ and He+ was examined in order to test the reliability of the built experiment by comparing the measured data with data from the literature. For H+ impinging on gold the dependency between the emission yield and the stopping power dE/dx is presented.