Laboratory work on plasma-wall-interaction processes relevant for fusion experiments

Abstract

Um den Weg für ein zukünftiges Fusionskraftwerk zu ebnen, ist es nicht nur notwendig, Netto-Energie zu produzieren, sondern auch entscheidend, eine erste Wand zu haben, die den hohen Hitzeflüssen und energiereichen Teilchenbeschuss lange genug standhalten, kann um den Fusionsreaktor wirtschaftlich zu betreiben. Daher wurde mit Hilfe einer hochempfindlichen Quarzkristall-Mikrowaagen (QCM) Technik fusionsrelevante Plasma-Wand-Wechselwirkungsprozesse unter kontrollierten Laborbedingungen untersucht. Eine dieser fusionsrelevanten Projektil-Wandmaterial-Kombinationen, die im Rahmen dieser Arbeit untersucht wurde, ist die Erosion von Wolframnitridschichten (WN) beim Beschuss mit Deuterium-Ionen. Um den Leistungsfluss zum Divertor in einem zukünftigen Fusionsreaktor zu reduzieren, ist die Beigabe strahlender Verunreinigungen in das Plasma erforderlich. Dabei erweist sich Stickstoff (N) als ein sehr wirksames ``Kühlmittel'' im Bereich des Plasmarands, bei dem jedoch in Kombination mit einem Wolfram-(W)-Divertor, die Bildung von WN Oberflächenschichten beobachtet werden können. In dieser Arbeit wurde die Erosion von gut vorbereiteten WN- und W-Schichten unter D-Ionen Beschuss bei 500 und 1000 eV/D untersucht und verglichen.Dabei wurde für W eine konstante Erosionsrate mit zunehmender D-Fluenz gemessen. Hingegen zeigt WN zu Beginn bei niedrigen Fluenzen eine erhöhte Erosionsrate, die sich dann im stationären Zustand dem Wert von reinem W annähert. Vergleiche mit SDTrimSP Simulationen weisen darauf hin, dass diese anfänglich höhere Erosionsrate für WN mit einer erhöhten N-Erosion zusammen hängen könnte. Dazu wurde als möglicher Mechanismus bestrahlungsinduzierte Diffusion in Betracht gezogen. Eine weitere untersuchte fusionsrelevante Festkörperoberfläche ist Eisen-Wolfram (FeW). FeW ist ein Modellsystem für Stähle wie EUROFER, die schwere Elemente beinhalten und als mögliches Material für abgelegene Bereiche in einem zukünftigen Fusionsreaktor in Betracht gezogen werden. Dazu wurden an dünnen FeW-Schichten mit 1.5 at% W fluenzabhängige Zerstäubungsexperiemente unter Beschuss mit D-Ionen bei 250 und 1000 eV/D durchgeführt.Für den Beschuss bei 250 eV/D ist zusätzlich der Einfallswinkel des Ionenstrahls gegenüber der Oberfläche variiert worden. Weiters wurde die Topographie und die Rauigkeit der Probe vor und nach der Exposition mit einer Gesamtfluenz von 3x10²³ D/m² untersucht. Für beide kinetischen Energien wurde eine abnehmende Zerstäubungsausbeute mit zunehmender D-Fluenz beobachtet, welche mit einer mit Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie (RBS) gemessenen W-Oberflächenanreicherung korreliert. Die anfänglich stärkere Reduktion der Erosionsrate für schrägen Ionenbeschuss verschwindet mit zunehmender Fluenz und erreicht den Wert für normalen Einfall. Dieser Effekt wird mit einer deutlichen Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit und (abhängig vom Ionenaufprallwinkel) der Ausbildung von Nanodots oder Rippels in Zusammenhang gebracht. Zusätzlich zu den Experimenten mit fusionsrelevanten Oberflächen wurde ein neuer experimenteller Aufbau entwickelt, bei dem eine QCM neben dem Probenhalter als Auffänger für das an der Probe zerstäubtes Material diente. Das neue Setup soll dabei Beschränkungen der bestehenden QCM-Technik auf dünne Schichten, welche direkt auf den Quarz aufgebracht werden müssen, überwinden. Nach der Beschreibung wie die Zerstäubungsrate des Ziels aus dem gemessene (Auffänger-) QCM Signal rekonstruiert werden kann, werden Messungen mit einer zweiten (Ziel-) QCM anstelle einer Standard Zerstäubungsprobe durchgeführt, um die prinzipielle Machbarkeit dieser indirekten Zerstäubungsratebestimmung zu beweisen. Die gleichzeitige Verwendung von zwei QCM erlaubt es, den Massenverlust an der Ziel-QCM (verursacht durch zerstäubte Partikel) und die Massenerhöhung an der Auffänger-QCM (aufgrund der gefangenen Partikel) simultan zu messen und damit die rekonstruierte Zerstäubungsrate mit der direkt gemessenen zu vergleichen. Das Ergebnis dieser Messungen zeigte, dass es möglich ist, mit der neuen Auffänger-Methode absolute Zerstäubungsraten der Probe zu bestimmen.

To pave the way towards a future fusion power plant it is not only necessary to produce net energy. It is also crucial to have a first wall that can withstand the high heat fluxes and energetic particle bombardment long enough to operate the fusion reactor economically. Therefore fusion relevant plasma-wall-interaction processes are studied under controlled laboratory conditions using a highly sensitive quartz crystal microbalance (QCM) technique. One of the fusion relevant projectile-target combinations, investigated within the framework of this thesis, is the erosion of tungsten-nitride (WN) by deuterium (D) ions. In a future fusion device, impurity seeding into the plasma is required to reduce the power flux to the divertor. Nitrogen (N) seeding is an effective coolant at the plasma edge. In combination with a tungsten (W) divertor, the formation of WN surface layers is observed. In this work the erosion of well-prepared WN and W (for comparison) films were studied under D ion bombardment at 500 and 1000 eV/D. For W a constant erosion rate was measured with increasing D fluence, while for WN an initially enhanced erosion rate was observed, until steady state conditions are reached where the erosion rate of WN approaches that of pure W. Comparisons to SDTrimSP simulations indicate that this initially higher erosion rate for WN is linked to an enhanced N erosion. As a possible mechanism irradiation-induced diffusion was considered. Another investigated fusion relevant target surface is iron-tungesten (FeW), because it is a model system for heavy element containing steels, like EUROFER, which are considered as possible material for recessed areas in a future fusion reactor. In particular, fluence dependent sputter experiments were carried out for thin FeW films, containing 1.5 at% W, under 250 and 1000 eV/D ion bombardment. The incident angle of the ion beam was additionally varied for 250 eV and the sample's topography and roughness was investigated before and after the exposure to a total fluence of 3x10²³ D/m². For both kinetic energies a decreasing sputtering yield with increasing D fluence was observed, which is correlated to a W surface enrichment measured with Rutherford backscattering analysis (RBS). The initially more pronounced reduction of the erosion yield for oblique ion impact, vanishes with increasing fluence and reaches the value for normal incidence. This effect is related to a significant surface roughening and (depending on ion impact angle) formation of nanodots or nano-ripples. In addition to the experiments on fusion relevant surfaces a new experimental setup was developed, where a QCM is placed beside the target holder acting as a catcher for material that is sputtered at the target surface. The new setup is supposed to overcome the limitations of the existing QCM technique to thin film targets directly deposited on the quartz crystal. After describing how the sputtering yield can be reconstructed from the measured (catcher-)QCM signal, proof of principle measurements using a second (target-)QCM instead of a regular sputter target were conducted. The use of two QCMs allows to measure the mass loss at the target-QCM (caused by sputtered particles) and the mass increase (due to the caught particles) at the catcher-QCM simultaneously and thus to compare the reconstructed target sputtering yield with the directly measured. The result obtained by these measurements demonstrate the feasibility of determining absolute sputtering yield with the new catcher setup.