Novel insights into ion-solid interaction: Case studies for space weathering and nuclear fusion research

Abstract

Ein tieferes Verständnis der Ionen-Festkörper-Wechselwirkung ist in mehreren Forschungsbereichen von großem Interesse. Vor allem im Zusammenhang mit der Verwitterung von Planeten-, Mond- und Asteroidenoberflächen ist eine Vielzahl von Effekten, die durch Sonnenwindionen verursacht werden, noch nicht gänzlich verstanden. Die Kernfusionsforschung stellt ein weiteres Forschungsfeld dar, welches Untersuchungen im Bereich der Ionen-Festkörper-Wechselwirkung vorantreibt. Besonders die effiziente Umsetzung dieser vielversprechenden Energiequelle ist stark an das Verständnis der Interaktion zwischen Plasmaionen und Wandmaterialien des Reaktors geknüpft. Neben der Erosion der Reaktorwand sind auch die Implantation und Speicherung von Wasserstoffisotopen im Wandmaterial wichtige Themen, die immer noch Herausforderungen darstellen.Diese Doktorarbeit setzt sich zum Ziel, das Verständnis der Wechselwirkung von Ionen mit Festkörpern sowohl im Bereich der Weltraumverwitterung als auch in der Kernfusionsforschung zu erweitern. In diesem Zusammenhang wurden die Zerstäubung durch Ionenbeschuss und die Wasserstoffspeicherung mit Experimenten und begleitenden numerischen Simulationen erforscht.Die Zerstäubung von Wollastonit (CaSiO3) als Analogmaterial für die Oberflächen des Monds oder Merkurs wurde mit der Quarzkristallmikrowaagentechnik detailliert untersucht. Die Zerstäubungsausbeuten der Hauptkomponenten des Sonnenwinds, Wasserstoff und Helium, konnten präzise quantifiziert werden und es wurden erstmals ausführliche Winkelabhängigkeiten dieser Größen gemessen. Die Zerstäubung wurde mit dem Programm SDTrimSP berechnet, wobei Simulationsparameter optimiert wurden, um die präzise Vorhersage dieser Größen zu ermöglichen, was auch für zukünftige Untersuchungen hilfreich sein wird. Außerdem wurde die potenzielle Zerstäubung durch zweifach geladene Helium- und mehrfach geladene Argonionen untersucht. Das beobachtete dynamische Verhalten dieses Vorgangs konnte erfolgreich durch ein theoretisches Modell der präferentiellen Sauerstoffzerstäubung und der damit verbundenen Verringerung des Sauerstoffanteils der Oberfläche erklärt werden. Auf Basis dieser experimentellen Ergebnisse wurde der Anteil der potenziellen Zerstäubung bei der Oberflächenerosion durch Sonnenwindionen berechnet. Das Ergebnis ist ein Anstieg der Erosion um etwa 40%, was den wichtigen Beitrag dieses Effekts zur Weltraumverwitterung unterstreicht.Als ein Sonderfall der Weltraumverwitterung wurde die Erosion des Marsmonds Phobos durch Sauerstoffionen, die in der Marsatmosphäre erzeugt werden, anhand von Laborexperimenten und numerischen Simulationen untersucht. In diesem Zusammenhang wurden dünne Augitschichten ((Ca,Mg,Fe)2Si2O6) auf Quarzkristallmikrowaagen als Analogmaterial für die Phobosoberfläche verwendet. Zerstäubungsausbeuten wurden sowohl für atomare als auch molekulare Sauerstoffionen mit unterschiedlichen Energien gemessen, wobei deutliche Anzeichen von Sauerstoffimplantation beobachtet wurden. Die Zerstäubungsausbeuten durch die Sauerstoffbestrahlung waren um 50% niedriger als jene, die für früher publizierte Modellrechnungen zur Phobosverwitterung angenommen wurden. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse zeigen dennoch, dass die Sauerstoffionen der Marsatmosphäre einen großen Teil zur Erosion der dem Mars zugewandten Seite von Phobos beitragen.Im Bereich der Kernfusionsforschung untersucht diese Arbeit verschiedene experimentelle Methoden, um die Wasserstoffspeicherung im Reaktorwandmaterial Wolfram zu messen. Dafür wurde zuerst eine nukleare Reaktionsanalyse mit Stickstoff- 15-Ionen zur Wasserstofftiefenprofilierung in einem Wolframfilm eingesetzt. Dabei wurde festgestellt, dass die Stickstoff-15-Bestrahlung das Speicherungsverhalten der Probe signifikant beeinflusst und Probenbereiche, welche zuvor mit Stickstoff-15 untersucht worden waren, keine Oberflächenveränderungen durch gasgefüllte Blasen aufwiesen. Diese Beobachtungen konnten durch zusätzliche Materialdefekte, die durch den Stickstoff-15-Ionenstrahl erzeugt worden waren, erklärt werden, da sich der Wasserstoff in diesen Defekten anlagert, anstatt Gasblasen zu bilden. Diese Resultate sind nicht nur für die experimentelle Untersuchung von Wasserstoffspei- cherung mit Ionenstrahlanalytik an sich relevant, sondern auch für kondensierte Wolframschichten in einem Fusionsreaktor, da neutroneninduzierte Defekte die Speicherung von Wasserstoff in solchen Schichten stark beeinflussen könnten. Eine zweite Ionenstrahlanalysemethode, die elastische Rückstreudetektion, erwies sich als besser geeignet, um Deuteriumtiefenprofile in einer Wolframprobe zu messen. Sowohl Wasserstoff- als auch Deuteriumkonzentrationen können dabei in verschiedenen Tiefen zur selben Zeit gemessen werden, was zusätzliche Einblicke in die Speicherung und das Ausgasen der verschiedenen Wasserstoffisotope ermöglicht. Das wird in dieser Arbeit für das Beispiel der Deuteriumimplantation in Wolframdemonstriert und die elastische Rückstreudetektion wird auch in Zukunft ein wichtiges Werkzeug für eine Vielzahl ähnlicher Untersuchungen darstellen.Im Rahmen dieser Dissertation konnten neue Erkenntnisse auf dem Gebiet der Ionen- Festkörper-Wechselwirkung in den Bereichen Weltraumverwitterung und Plasma- Wand-Wechselwirkung erzielt werden. Die Verhalten von Zerstäubung und Wasserstoffspeicherung wurden sowohl experimentell als auch numerisch untersucht, um das Verständnis der relevanten ioneninduzierten Effekte zu verbessern. Sowohl die präsentierten Experimente als auch die Berechnungen mit dem Simulationsprogramm SDTrimSP, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, können sicherlich einen Anschlusspunkt für zukünftige Untersuchungen in den Planetenwissenschaften sowie in der Kernfusionsforschung darstellen.

An extended understanding of ion-solid interaction processes is of great interest in many different research areas. Especially for weathering of the surfaces of planets, moons and asteroids, many relevant effects that are caused by solar wind ions are not yet completely understood and require more experimental research. Another driver for the investigation of ion-solid interaction is nuclear fusion research. The feasibility of this promising energy source of the future is strongly affected by the interaction of plasma ions with wall materials of the reactor. Besides the erosion of the wall, the implantation and retention of hydrogen in wall materials are also important issues that still cause several challenges.This thesis aims to investigate ion-solid interaction effects to increase the understanding of both space weathering and nuclear fusion research. For this purpose, the sputtering due to ion bombardment as well as H retention were investigated by performing experiments and numerical simulations.The sputtering behavior of wollastonite (CaSiO3) as an analog material for the surfaces of the Moon and Mercury was measured in detail using the quartz crystal microbalance technique. The sputtering yields of the major solar wind components H and He could be quantified precisely and for the first time, an extensive study of the angular dependence of the sputtering yield was performed. Sputtering was simulated with the program SDTrimSP and the used input parameters were optimized to allow consistent prediction of sputtering yields, which will be helpful for future studies. Furthermore, potential sputtering of both He2+ and multiply charged Ar ions was examined. The observed dynamic behavior could be connected to potential sputtering and subsequent depletion of O near the surface. Based on the experimental findings of He2+, the total effect of solar wind potential sputtering could be calculated to give an overall sputtering increase of about 40%, which underlines the importance of this effect for space weathering.As a special case, space weathering of the Martian moon Phobos by O ions from the Martian atmosphere was also investigated experimentally and numerically. In this iiicontext, thin films of the mineral augite ((Ca,Mg,Fe)2Si2O6) deposited on a quartz crystal microbalance were used as an analog for the surface of Phobos. Sputtering yields for both atomic and molecular O ions could be quantified at different energies, revealing significant signs of O implantation in the material. The sputtering yields by O ions were found to be 50% smaller than in previously published models, but the presented findings still show the importance of planetary O ions for the erosion of the Mars-facing side of Phobos.In the area of nuclear fusion research, this thesis explores new experimental ap- proaches of measuring H isotope retention in the reactor wall material W. Nuclear Reaction Analysis with 15N ions was applied to perform precise depth profiling of H in a W film sample. However, the 15N irradiation was found to significantly alter the retention behavior, which led to a complete absence of gas-filled blisters in the 15N-irradiated areas. The observations could be explained by the additional damages in the W film that were caused by the probing ion beam. The results achieved in this context are not only relevant for the investigation of H retention by ion beam analysis itself, but also for re-deposited W layers in a nuclear fusion reactor. The damages from neutrons created during the fusion process could significantly alter how H isotopes are retained in these layers. A second ion beam analysis method, Elastic Recoil Detection, proved to be better suited for monitoring D depth profiles. H and D concentrations can be measured at different depths at the same time, providing more detailed insights into H isotope retention and desorption than other techniques. This could be shown for the case of D implanted in W, but Elastic Recoil Detection will also represent a powerful tool for further similar analysis.In this thesis, new insights for both space weathering and plasmawall interaction research could be achieved. Sputtering and hydrogen retention behaviors could be investigated in both experiment and simulation with the aim of increasing the understanding of the relevant ion-solid interaction effects. Both the applicability of different experimental approaches as well as the usage of the simulation program SDTrimSP discussed in this thesis will surely give a connection point for future studies in planetary science and fusion research.