Erosion and retention investigations for fusion relevant target-projectile combinations

Abstract

Die vorliegende Arbeit stellt eine Quarzkristall-Mikrowaage vor, mit der es möglich ist, Massenveränderungen dünner Schichten unter Beschuss von energetische Ionen, sowohl in Folge einer Materialablagerung (Implantation) als auch eines -abtrags (Sputtering), in situ zu untersuchen. Der Messaufbau wurde im Vergleich zu kommerziell verfügbaren Mikrowaagen gleicher Bauart in Hinblick auf außergewöhnliche Genauigkeit und Empfindlichkeit entwickelt und kann Massenveränderungen von bis zu 10-5 µg/s detektieren. Um die Anwendbarkeit speziell auf höhere Ionenenergien (einige keV) und -Flüsse auszuweiten, wurden einige Verbesserungen an dem Versuchsaufbau vorgenommen. Des weiteren werden die Ergebnisse verschiedener, im Anschluss durchgeführter Untersuchungen zu Ionen - Oberflächen Wechselwirkungen unter besonderer Berücksichtigung fusionsrelevanter Target - Projektil Kombinationen präsentiert. Die Experimente umfassten hierbei den Beschuss von Wolfram und amorphen wasserstoffreichen Kohlenstoffschichten (a-C:H) durch Ar, He und D Ionen. Beide Oberflächen sind charakteristisch für innere Wände eines Fusionsreaktors. A-C:H Schichten werden aller Voraussicht nach einen großen Teil an Retention von Brennstoff in einem zukünftigen Fusionsreaktor ausmachen, wenn Kohlenstoffverbindungen als Wandmaterial verwendet werden. Eine Messkampagne mit dem Ziel, Deuterium-Retention in Wolfram zu messen, wurde leider erfolglos beendet. Grund war ein erheblicher Anteil an energetischen Neutralteilchen im Ionenstrahl. Auf die genauen Gründe wird im Verlauf dieser Arbeit näher eingegangen. Überdies wurde die Zerstäubung von Wolfram unter Heliumbeschuss sowie von a-C:H, das mit Ar Ionen in verschiedenen Ladungszuständen bestrahlt wurde, untersucht. Während für die Zerstäubung von Wolfram ein rein durch die kinetische Energie der Ionen bedingter Verlauf der Zerstäubungsausbeute beobachtet werden konnte, zeigte sich für Beschuss von a-C:H eine deutliche Abhängigkeit vom Ladungszustand des einfallenden Ions, ein Effekt, der in der Literatur auch als ,Potentialzerstäubung' bekannt ist.

A quartz crystal microbalance (QCM) technique is presented, which is capable of performing in situ measurements of mass changes of thin films due to energetic ion bombardment resulting from deposition (implantation) as well as ablation (sputtering) of material. The technique was designed with respect to extremely high accuracy and sensitivity as compared to commercially available, similar QCMs. It is able to detect mass changes as small as 10-5 µg/s.<br />Additional modifications to the setup were made in order to improve its applicability at higher ion energies (some keV) and ion fluxes. The results from consequent investigations of several ion-surface interaction processes are presented. Special attention was paid to fusion relevant target- projectile combinations involving Ar, He and D bombardment of tungsten and amorphous hydrogenated carbon (a-C:H) layers. The latter target material is representative for re-deposited hydrogen-rich carbon layers on the inner walls of a fusion reactor device and will constitute the major reason for fuel retention in a future fusion reactor if carbon compounds are used as a plasma facing material. A measuring campaign aiming to investigate the retention of deuterium in tungsten was terminated unsuccessfully due to a significant fraction of energetic neutrals in the ion beam of the experiment. The reasons will be discussed and illustrated in detail. Furthermore sputtering yields for W bombarded by He and a- C:H irradiated with Ar ions of different charge states were determined.<br />While for W we observed a purely kinetic behaviour of the sputtering yield, first measurements on a-C:H exhibit a distinct dependency of the sputtering yield on the charge state of the projectile, an effect also known as 'potential sputtering'.