Dokument: Influence of the surface composition and morphology on the reflectivity of diagnostic mirrors in a fusion reactor

Titel:	Influence of the surface composition and morphology on the reflectivity of diagnostic mirrors in a fusion reactor
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=34395
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20150618-102801-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	M. Sc. Matveeva, Maria [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 16,48 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 21.05.2015 / geändert 21.05.2015
Beitragende:	Prof. Dr. Samm, Ulrich [Gutachter] Prof. Dr. Oswald Willi [Gutachter]
Stichwörter:	Diagnostic mirror, fusion reactor, molybdenum, rhodium, erosion, deposition
Dokumententyp (erweitert):	Dissertation
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Für den erfolgreichen Betrieb von Fusionsexperimenten und zukünftigen Fusionsreaktoren ist der Einsatz von Diagnostiken für die Kontrolle des Fusionsplasmas unabdingbar. Diese Diagnostiken messen die Lichttransmissivität des Plasmas und benötigen metallische Spiegel. Für die Entwicklung und den erfolgreichen Betrieb dieser Spiegel muss die Wechselwirkung des Plasmas mit deren Oberflächen untersucht und verstanden werden. In dieser Arbeit wird der Einfluss des Plasmas auf diese metallische Spiegel untersucht. Plasmaexposition der Spiegel führt zu einer Änderung der Morphologie und Zusammensetzung der Oberfläche. Um diese Effekte zu bestimmen werden in dieser Arbeit eine Reihe von Experimenten in den beiden Tokamakexperimenten TEXTOR und DIII-D durchgeführt. Vorcharakterisierte metallische Spiegel werden während der Plasmaoperation (TEXTOR) und während der thermo-oxidativen Wandkonditionierung (DIII-D) exponiert. Die Spiegelproben werden post-mortem mittels Oberflächen- und optischen Analysetechniken charakterisiert. Um die beobachteten Oberflächenänderungen zu verstehen, werden die Wechselwirkungen von Ionen und Oberflächen mit SDTrimSP simuliert. Die für die Modifikationen der Oberflächenmorphologie unter dem Beschuss von hochenergetischen Teilchen verantwortlichen Prozesse, wie z.B. die Oberflächenerosion und die Schichtbildung, werden untersucht. Die Messungen zeigen, dass die gerichtete Reflektivität der Spiegel sehr stark von der Oberflächenrauigkeit abhängt. Die Rauigkeit nach der Plasmaexposition wiederum ist abhängig von der kristallinen Struktur des Materials, da Körner mit unterschiedlicher kristalliner Orientierung unterschiedliche Zerstäubungsraten aufweisen. Eine Vergrößerung der Oberflächenrauigkeit resultiert aus der inhomogenen Zerstäubung eines polykristallinen Materials und führt zu einem signifikanten Abfall der gerichteten Reflektivität aufgrund von diffuser Beugung des einfallenden Lichtes. Unter Nettoerosionsbedingungen zeigen Spiegelbeschichtungen mit Kristalliten im Nanometerbereich ein ähnliches Verhalten wie polykristalline Materialien, während Einkristallspiegel eine signifikant geringere Aufrauung bedingt durch die einheitliche Zerstäubungsrate aufweisen und somit deren Reflektivität besser erhalten bleibt. Die Spiegelreflektivität ist auch von der Oberflächenzusammensetzung abhängig, welche durch Plasma-Wand-Wechselwirkungen verändert werden kann. Die Dicke der betroffenen Oberflächenschicht ist bedingt durch das Gleichgewicht zwischen Erosion, Deposition, Teilchenimplantation, Diffusion und chemischen Reaktionen. Zum Beispiel ist auf Spiegeln, die in TEXTOR exponiert wurden, Carbidbildung zu beobachten, welche zu einer Reduktion der Oberflächenreflektivität führt. Die resultierende Tiefenverteilung der Kohlenstoffatome ist unabhängig von der Spiegeltemperatur und deutet auf eine sehr langsame Volumendiffusion des Kohlenstoffs hin. Somit kann die Volumendiffusion auf der Zeitskala des Experimentes vernachlässigt werden, wenn man die Diffusionstiefen mit den Ionenimplantationstiefen oder der Dicke der erodierten Schicht vergleicht. Die Bildung von Carbiden und Oxiden verlangsamt die Volumendiffusion und verhindert somit ein tieferes Eindringen von Fremdatomen in die Oberfläche. Die Ergebnisse von Messungen und Simulationen deuten stark auf ein dynamisches Gleichgewicht zwischen physikalischen und chemischen Prozessen hin. Das Gleichgewicht resultiert in ähnlich dicken Carbid-Schichten auf allen Molybdän-Spiegeln, unabhängig von der auftreffenden Teilchenfluenz und Probentemperatur. Das Gleichgewicht zwischen Erosions- und Depositionsprozessen auf der Spiegeloberfläche ist stark von den Plasmaparametern abhängig. Nettoerosionsbedingungen sind für metallische Spiegel von Vorteil, da diese nicht zum Wachstum undefinierter Schichten führen. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass das Gleichgewicht zwischen Erosion und Deposition zu einer Nettoerosion durch gezielten Gaseinlass nahe der Spiegeloberfläche während der Plasmaexposition verschoben werden kann. Diese Arbeit erweitert das aktuell gültige Verständnis der Plasma-Wand-Wechselwirkungsprozesse auf die Reflektivität von metallischen, plasmaexponierten Spiegeln. Die Resultate dieser Arbeit wurden für große Fusionsexperimente, wie z.B. ITER, extrapoliert. Um optimale Betriebsbedingungen für diagnostische Spiegel in Fusionsexperimenten und in -reaktoren zu erreichen und zu erhalten, sollten die Spiegel unter Nettoerosionsbedingungen betrieben werden. Da Nettoerosionsbedingungen nicht garantiert werden können, sollten zudem Methoden zur Depositionsreduktion entwickelt und Möglichkeiten für die in-situ Spiegelreinigung und für Kalibrationsmessungen bereitgestellt werden. Plasma-surface interactions in fusion devices represent a critical issue for the design and operation of diagnostic systems based on transmission of light signals from plasma where metallic mirrors will be used as first plasma-viewing elements. In this work, the behavior of metallic mirrors is investigated with respect to the influence of plasma-induced changes of surface morphology and composition on the surface reflectivity. The work is based on the series of dedicated experiments performed in tokamaks TEXTOR and DIII-D, in which pre-characterized metallic mirrors were exposed during the plasma operation (TEXTOR) and during the thermo-oxidative wall conditioning (DIII-D). The morphology, composition and optical properties of the mirror surfaces are analyzed post-mortem. To understand the observed surface modifications, ion-surface interactions are modelled with the SDTrimSP code. The processes responsible for modifications of the surface morphology and composition under energetic particles bombardment, the surface erosion and formation of deposited layers, are investigated. Measurements show that the specular reflectivity of a mirror strongly depends on the surface roughness. The surface roughness after a plasma exposure depends on the crystalline structure of the material due to the fact that grains with different crystalline orientations have different sputtering rates. An increase of the surface roughness resulting from non-homogeneous sputtering of a polycrystalline material leads to a significant drop of the specular reflectivity due to diffuse scattering of the incident light. It is shown that under net erosion conditions coatings with nano-sized crystallites demonstrate a similar behaviour compared to polycrystalline materials. On the contrary, single crystalline mirrors are sputtered uniformly, thus show significantly less roughening and preserve the reflectivity better. The mirror reflectivity depends also on the surface composition, which can be changed due to plasma-surface interactions. The thickness of the affected surface layer depends on the balance between the processes of erosion, deposition, particle implantation, diffusion, and chemical reactions. For instance, carbide formation is observed on mirrors exposed in TEXTOR, thus contributing to the decrease of the surface reflectivity. The independence of the resulting depth distributions of carbon atoms from the mirror temperature suggests that the volume diffusion of carbon is very slow and can be neglected when comparing the diffusion depth with the ion implantation depth or the thickness of the eroded layer within the time scale of the experiment. It is shown that formation of carbides and oxides slows down the volume diffusion and prevents deeper penetration of impurity atoms into the surface. Measurements and modelling give a strong indication of a dynamic equilibrium established between the different physical and chemical processes involved. This equilibrium results in similar thicknesses of carbide layers formed on all molybdenum mirrors independent on the incident particle fluence and sample temperature. The overall balance between erosion and deposition processes on the mirror surface depends strongly on plasma parameters. Net erosion conditions are beneficial for metallic mirrors since such conditions do not lead to an unpredictable layer growth. It is demonstrated in this work that the balance between erosion and deposition can be shifted towards net erosion by means of intentional injection of gaseous species in the vicinity of the mirror surface during the plasma exposure. This work extends the current understanding of the influence of plasma-surface interaction processes on the reflectivity properties of metallic mirrors exposed to plasma. The results presented in this work are analysed and extrapolated with respect to their relevance to large scale fusion devices such as ITER. To allow and maintain the optimal operation of diagnostic mirrors in reactor scale fusion devices, operation of mirrors under net erosion conditions is recommended. Since net erosion conditions cannot be guaranteed, deposition mitigation techniques need to be developed and means for in-situ mirror cleaning and calibration measurements have to be provided.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Laser- und Plasmaphysik
Dokument erstellt am:	18.06.2015
Dateien geändert am:	18.06.2015
Promotionsantrag am:	08.04.2014
Datum der Promotion:	01.07.2014