Untersuchung der Zerstäubung fusionsrelevanter Materialien bei Ionenbeschuss unter Verwendung einer Quarz-Kristall-Mikrowaage

Abstract

Für die Realisierung vom Kernfusion als nutzbare Energiequelle ist es von höchster Bedeutung, zu einem tiefen Verständnis über die Wechselwirkung des Kernfusionsplasmas mit den Reaktorwänden zu gelangen.<br />Insbesondere die Zerstäubung von Wandmaterialien, d.h. die Produktion von Verunreinigungen, welche in das Fusionsplasma gelangen, kann die Fusionsausbeute drastisch reduzieren. Um mehr Informationen über diese Zerstäubungsprozesse zu erlangen wurden Messungen mit einer hochempfindlichen Quartzkristall-Mikrowaage (QCM - Quartz Crystal Microbalance), die an der TU-Wien entwickelt wurde und eine deutlich verbesserte Genauigkeit gegenüber kommerziellen QCM-Systemen zeigt, durchgeführt. Mit Hilfe einer ECR-Ionenquelle wurden fusionsrelevante- sowie Kalibrierungsmaterialien mit Ionen von verschiedenen Energien und Ladungszuständen (100eV bis mehrere keV; Arq+, Cq+; D+) bombardiert.<br />Nach proof-of-principle- und Kalibrierungsmessungen auf LiF und Gold wurden extensive Messungen auf polykristallinem Wolfram durchgeführt.<br />Besondere Aufmerksamkeit wurde dem Beschuß durch Deuterium-Ionen geschenkt, da in diesem Falle nicht nur die Zerstäubung des Targetmaterials, sondern auch die Implantation und Rediffusion des Deuteriums in das bzw. aus dem Wolfram ,in situ' und ,real-time' beobachtet werden konnte.

For the future applicability of thermonuclear fusion as an energy source, a profound understanding of the interaction between the fusion plasma and the reactor walls is imperative. Especially the sputtering of wall-materials, i.e. the production of impurities, which can be transported into the fusion plasma, can reduce the efficiency of the fusion reaction drastically. To gather reliable information about the sputtering processes involved, measurements utilizing a quartz-crystal microbalance (QCM), which has been developed at the TU-Vienna and which shows an increased accuracy as compared to commercial QCM-systems, have been conducted. Using an ECR ion source different materials, including fusion-relevant tungsten surfaces have been bombarded with ions of different energies and charge states (100eV to several keV; Arq+, Cq+; D+). After proof-of-principle and calibration measurements on LiF and gold extensive measurements have been conducted on polycrystalline tungsten. Special attention has been paid to the bombardment with Deuterium ions, since in this case not only the sputtering but also the implantation and re-diffusion within the tungsten could be observed in situ and real-time.