Dokument: Bestimmung der Wolframerosion mittels optischer Spektroskopie unter ITER-relevanten Plasmabedingungen

Titel:	Bestimmung der Wolframerosion mittels optischer Spektroskopie unter ITER-relevanten Plasmabedingungen
Weiterer Titel:	Determination of W-erosion through optical spectroskopy under ITER-relevant plasma conditions
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=40858
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20170322-105034-2
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Laengner, Marko [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 17,57 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 30.01.2017 / geändert 30.01.2017
Beitragende:	Prof. Dr. Samm, Ulrich [Gutachter] Prof. Dr. Pretzler, Georg [Gutachter]
Stichwörter:	Wolfram, Wolframerosion, WF6, Ionisationsratenkoeffizienten, Anregungsratenkoeffizienten
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Wolfram (W) wird als Wandmaterial in gegenwärtigen Fusionsexperimenten verwendet und ist eine Materialwahl für zukünftige Maschinen wie ITER und DEMO. Jedoch führt erodiertes Wolfram auf dem Weg ins Plasmazentrum aufgrund seiner Energieabstrahlung zu starken Strahlungsverlusten und somit zur kritischen Kühlung des Zentralplasmas. Daher ist eine genaue Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Wolfram und Plasma notwendig. Der Verlauf der Emissionsprofile von Linienstrahlung im Plasma wird charakterisiert durch Anregung und Ionisation. Quantitativ lässt sich die Ionisation in Form der Ionisationsratenkoeffizienten beschreiben. Deren Kenntnis ist notwendig zur Interpretation spektroskopischer Daten, insbes. zur Bestimmung der durch Erosion erzeugten Wolfram-Flüsse ins Plasma. Bisher wurden die Ionisationsratenkoeffizienten im Fall des neutralen Wolfram-Atoms außer für den Plasmatemperaturbereich unter 20 eV nicht experimentell bestimmt. Für höhere Temperaturen liegen ausschließlich unsichere theoretische bzw. semi-experimentelle Daten vor. In der vorliegenden Arbeit wurden daher erstmals die Ionisations- und Emissionsprozesse von Wolfram durch Wolfram-Zerstäubung im Plasmatemperaturbereich zwischen (41 +/- 8) eV und (81 +/- 8) eV am Tokamak TEXTOR untersucht und Ionisationsratenkoeffizienten experimentell bestimmt. Gemessene Emissionsprofile der WI (400.88 nm)-Linie weisen den typischen exponentiellen Abfall auf, der durch die Ionisation der neutralen Wolfram-Atome verursacht wird. Darüber hinaus steigt die Emission jedoch im Bereich von 1 bis 2 mm vor der zerstäubten Oberfläche zunächst auf ein Maximum an. Durch die Einführung einer Relaxationszeit zwischen 0.5 und 1 s bis zum Erreichen des Gleichgewichts in der Besetzung des emittierenden Niveaus kann der Anstieg der Emissionsprofile reproduziert werden. Die Simulation der Emissionsprofile mittels einer in dieser Arbeit entwickelten Monte-Carlo-Simulation ergibt Ionisationsratenkoeffizienten, die mit den Werten nach der semi-empirischen Lotz-Formel übereinstimmen. Die notwendige Erweiterung der Datenbasis bzgl. des neutralen Wolframs begründet auch das Interesse an einer möglichst einfach handhabbaren Wolfram-Quelle zur Kalibration. Diese konnte durch die Injektion von WF6 an TEXTOR realisiert werden. Das mittels der WF6-Injektion ins Plasma eingebrachte Wolfram wurde auf Vergleichbarkeit mit aus einem Zerstäubungsprozess stammenden Wolfram-Atomen geprüft. Dabei wurde die WF6-Injektion erstmalig zur Ermittlung von Konversionsfaktoren (den sogenannten Photoeffizienzen) zur Berechnung von Wolfram-Flüssen aus spektroskopisch gemessenen Photonenflüssen benutzt. Für die gegebenen Temperatur-Dichte-Kombinationen im Bereich von (20 +/- 5) eV bis (82 +/- 5) eV bzw. von (2.2 +/- 1) x 1012 cm3 bis (6.8 +/- 1) x 1012 cm3 ergibt sich für WI (400.88 nm) ein konstanter mittlerer Wert von = 49 +/- 16. Zum Test dieser Werte konnten Zerstäubungsausbeuten aus der Menge erodierter Wolfram-Atome ermittelt werden, die gut mit den experimentellen Referenzwerten und Rechnungen übereinstimmen. Die dabei herrschenden Plasmabedingungen liegen im Bereich dessen, was auch für den ITER-Divertor während ELMs zu erwarten ist. Die gefundenen experimentellen Resultate sind in sich konsistent und bestätigen damit die Übereinstimmung der WF6-Photoeffizienzen mit solchen für zerstäubtes W. Tungsten (W) is used in present fusion experiments and is as well a material choice for future reactors like ITER and DEMO. However, tungsten eroded from the wall leads to high radiation losses in the plasma and the transport to the plasma center to critical plasma cooling. Therefore a detailed investigation of the interaction between eroded tungsten and the plasma is necessary. The emission of tungsten line radiation in the plasma and thus the shape of the emission profiles is characterized by excitation and ionisation. Quantitatively the ionisation can be described in terms of the ionisation rate coefficients. This knowledge is necessary for the interpretation of spectroscopic data and especially to determine tungsten fluxes into the plasma that are caused by tungsten erosion. Up to now, ionisation rate coefficients for neutral tungsten were not determined except for the plasma temperature range below 20 eV. For higher temperatures only uncertain calculated data or semi-empirical data is available. Therefore, within this thesis for the first time ionisation and emission processes of tungsten originating from tungsten erosion were investigated in the temperature range between (41 +/- 8) eV and (81 +/- 8) eV at the tokamak TEXTOR and ionisation rate coefficients were determined experimentally. Measured emission profiles of the W I (400.88 nm)-line show a typical exponential decrease that is caused by the ionisation of the neutral tungsten atoms. But moreover, at a distance of 1 to 2 mm away from the sputtered surface the emission initially increases to a maximum. By introducing a relaxation time between 0.5 and 1 s before reaching the equilibrium of the population of the emitting energy level of this line the increase of the emission profiles can be reproduced. Simulating the emissions profiles through a Monte-Carlo-simulation that was developed in the scope of this thesis results in ionisation rate coefficients that are identical with values calculated through using the semi-empirical Lotz-formula. The necessary extension of the atomic data base regarding neutral tungsten leads to the interest in a tungsten source that can easily be used for calibration purposes. This was realised at TEXTOR through the injection of WF6. The tungsten that was brought into the plasma via WF6-injection was investigated regarding the comparability to tungsten originating from a sputtering process. Moreover was WF6 used for the first time to determine conversion factors-the so-called photon efficiencies-to calculate tungsten fluxes from spectroscopically measured photon fluxes. For the given combinations of temperature and density from (20 +/- 5) eV to (82 +/- 5) eV and from (2.2 +/- 1) x 1012 cm3 to (6.8 +/- 1) x 1012 cm3, respectively, for the W I (400.88 nm)-line a constant average value of = 49 +/ 16 is found. To test these values sputtering yields were determined from the amount of eroded tungsten atoms. These sputtering yields are in line with experimental reference values and calculations. The prevailing investigated plasma conditions are in the range of what can be expected considering the ITER divertor during ELMs. The found experimental results are consistent and confirm the match between WF6 photon efficiencies and photon efficiencies of sputtered tungsten.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Laser- und Plasmaphysik
Dokument erstellt am:	22.03.2017
Dateien geändert am:	22.03.2017
Promotionsantrag am:	29.06.2016
Datum der Promotion:	21.11.2016