Dokument: Entwicklung einer In-situ-Meßmethode zur Bestimmung des Wasserstoffgehalts amorpher Kohlenwasserstoffschichten in Fusionsanlagen
| Titel: | Entwicklung einer In-situ-Meßmethode zur Bestimmung des Wasserstoffgehalts amorpher Kohlenwasserstoffschichten in Fusionsanlagen | |||||||
| Weiterer Titel: | Development of an in-situ diagnostic for the measurement of the hydrogen content of amorphous hydrocarbon layers in fusion devices | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=8493 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20080825-152751-2 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Irrek, Florian [Autor] | |||||||
| Dateien: |
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| Beitragende: | Prof. Dr. Samm, Ulrich [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Samm, Ulrich [Gutachter] Prof. Dr. Pretzler, Georg [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | a-C:H a-C:H-Schicht Desorption Laserdesorption Wasserstoff Wasserstoffinventar Tritium in-situ Spektroskopie Fusion Kernfusion Colorimetrie | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | Die Verwendung von Kohlenstoff für plasmabegrenzende Komponenten in ITER wird vermutlich zum Überschreiten der Sicherheitsgrenze von 350 g Tritium im Reaktorgefäß führen. Tritium wird vor allem in amorphen Kohlenwasserstoffschichten eingeschlossen. In dieser Arbeit wird die laserinduzierte thermische Desorptionsspektroskopie (LDS) entwickelt, mit der das Wasserstoffinventars in der Oberfläche plasmabegrenzender Komponenten in einem Fusionsexperiment gemessen werden kann. Diese Diagnostik wird an TEXTOR getestet.Bei der LDS wird während einer Plasmaentladung eine Stelle auf einer plasmanahen Oberfläche durch Laserbestrahlung bis in eine Tiefe von 100 µm auf 1400 bis 2100 K aufgeheizt. Der in der Oberfläche gefangene Wasserstoff wird dabei freigesetzt. Das infolgedessen im Plasma emittierte H_α-Leuchten wird quantitativ gemessen; mittels Konversionsfaktoren (S/XB) wird die freigesetzte Wasserstoffmenge ermittelt.Das Laserlicht (Nd:YAG, 1064 nm) wird durch Lichtleiter geführt und erzeugt einen 5 mm^2 großen homogenen Laserfleck. Ein Laserpuls von typischerweise 1.5 ms Dauer und 5 J Energie führt zur Desorption von bis zu 1 mm^3 des Graphitsubstrats unterhalb des Laserflecks. Die erzielten Temperaturen wurden durch numerische Simulationen berechnet sowie indirekt durch die bewirkten Oberflächenveränderungen ermittelt. Es wurden a-C:H-Schichten von bis zu 0.5 µm Dicke untersucht. Je nach Entstehungsbedingungen der Schicht variieren die Anteile der freigesetzten Moleküle (H_2, CH_4, C_2H_4). Wasserstoffreiche Schichten setzen mehr Kohlenwasserstoffe frei. In der Erosionszone exponierter Graphit setzt dagegen vor allem H_2 frei. Die Freisetzung atomaren Wasserstoffs durch die Laserdesorption wurde nicht beobachtet. Die Messung des Emissionsleuchtens erfolgt mit schmalbandigen H_α-Interferenzfiltern und einer CCD-Kamera. Durch Simulation des Emissionsleuchtens mit Hilfe des Neutralteilchentransportcodes EIRENE wird der nichtbeobachtete Anteil des Emissionsleuchtens für die einzelnen freigesetzten Molekülsorten abgeschätzt. Konversionsfaktoren (S/XB)_eff wurden in verschiedenen Referenz-Randschichtplasmen (22–30 eV, 1–11 x 10^18 m^-3 und 50–74 eV, 1–5 x 10^18 m^-3) bei der Desorption präparierter Graphitproben gemessen, die eine bekannte Wasserstoffmenge mit einer bekannten molekularen Verteilung freisetzen.Es wurden LDS-Messungen an Schichten durchgeführt, die in TEXTOR innerhalb von bis zu 3 Minuten kumulierter Plasmaexposition aufgewachsen waren, was etwa 40% der Dauer einer ITER-Plasmaentladung entspricht. Die mit der LDS ermittelten Wasserstoffinventare wurden im Rahmen von Nachuntersuchungen der desorbierten Schichten bestätigt.Erstmals ermöglichte die LDS die In-situ-Messung des H-Inventars in der Erosionszone eines Graphitlimiters während einer Plasmaentladung. Dabei zeigte sich, daß das Inventar während der Plasmaentladung größer ist als zwischen den Plasmaentladungen. Es konnte ein dynamisches H-Inventar während der Plasmaentladung von 1–8 x 10^20 Atomen/m^2 bestimmt werden, abhängig von den Plasmabedingungen (H^+-Flußdichte, Plasmatemperatur). Diesem Inventar entspricht eine mittlere Aufenthaltszeit des Wasserstoffs in der Oberfläche von 1.9 bis 3.6 ms.Es wurde gezeigt, daß die LDS eine empfindliche Messung (Nachweisgrenze < 10^20 m^-2) des Wasserstoffinventars plasmanaher Oberflächen während einer Plasmaentladung ermöglicht.The use of carbon for plasma-facing components in ITER is assumed to cause the safety limit of a maximum of 350 g tritium in the reactor vessel to be exceeded. Tritium is trapped primarily in amorphous hydrocarbon layers on the reactor vessel's surfaces. Within this paper a diagnostic method, the laser-induced thermal desorption spectroscopy (LDS), will be developed to measure in situ the hydrogen inventory in the surface of plasma-facing components in fusion experiments. Its capabilities will be demonstrated in TEXTOR. In LDS, during the plasma discharge a laser beam is used to heat a spot on a surface close to the plasma to a temperature of 1400 to 2100 K to a depth of 100 µm. Trapped hydrogen will be released into the plasma where it emits line radiation. The emitted H_α-light is quantitatively measured. The amount of released hydrogen is calculated from the intensity of this emission using conversion factors (S/XB)_eff.The laser light (Nd:YAG, 1064 nm) is conducted via light fibres. At TEXTOR, a 5 mm^2 sized homogeneous laser spot is created with a pulse duration of 1.5 ms, and an Energy of 5 J, typically. Below the laser spot a volume of at most 1 mm^3 is desorbed. The generated temperature is calculated numerically and indirectly deduced from surface changings. Depending on the conditions during the layer formation the hydrogen content of the hydrocarbon layer will vary and different fractions of the released molecules (H_2, CH_4, C_2H_4) are created during the laser heating. Hydrogen-rich layers release a greater fraction of hydrocarbons whereas graphite exposed in the erosion zone releases principally hydrogen molecules. The release of atomic hydrogen by laser desorption was not found.The emitted light is measured by means of narrow-band interference filters and a CCD-camera.
The fraction of the light emission which lies outside the observation volume is estimated using simulations of the emission by the neutral gas transport Monte Carlo code EIRENE for each molecular fraction. Conversion factors (S/XB)_eff were measured in various reference plasmas (T_e = 22–30 eV, n_e = 1–11 x 10^18 m^-3 and T_e = 50–74 eV, n_e = 1–5 x 10^18 m^-3) by desorbing prepared graphite samples which release a known amount of hydrogen with a known molecular distribution.LDS measurements were carried out in TEXTOR at hydrocarbon layers deposited on a graphite test limiter. The desorbed layers had been deposited within up to 3 minutes of plasma exposure, which is 40% of an ITER plasma discharge. The measured hydrogen inventories could be validated in post-mortem analyses.For the first time, LDS allowed for measuring the hydrogen inventory in the erosion-dominated zone of a graphite limiter during a plasma discharge. The inventory was found to be larger during the plasma discharge than between two discharges. The deduced dynamic hydrogen inventory during the plasma discharge is 1–8 x 10^20 atoms/m^2, depending on the plasma conditions (H^+ flux density, plasma temperature). This is in line with a mean retention time of 1.9 to 3.6 ms.It was shown that LDS allows a sensitive measurement (detection limit below 10^20 m^-2) of hydrogen inventories in the surface of plasma-facing components during a plasma discharge. | |||||||
| Quelle: | [ADAS] Atomic Data Analysis Structure
http://adas.phys.strath.ac.uk [Bre01] S. Brezinsek, P.T. Greenland, J.D. Hey, M. Lehnen, Ph. Mertens, A. Pospieszczyk, U. Samm, B. Schweer, G. Sergienko, E. Vietzke ECA Vol. 25A (2001) 2077-2080 [Bre02] S. Brezinsek Berichte des Forschungszentrums Jülich, JUEL-3962, Jülich 2002 [Bre03] S. Brezinsek, P.T. Greenland, Ph. Mertens, A. Pospieszczyk, D. Reiter, U. Samm, B. Schweer, G. Sergienko Journal of Nuclear Materials 313–316, (2003), 967–971 [Bre05] S. Brezinsek, G. Sergienko, A. Pospieszczyk, Ph. Mertens, U. Samm, P.T. Greenland Plasma Physics and Controlled Fusion 47, No. 4 (April 2005) 615-634 [Bre07] S. Brezinsek, A. Pospieszczyk, D. Borodin, M.F. Stamp, R. Pugno, A.G. McLean, U. Fantz, A. Manhard, A. Kallenbach, N.H. Brooks, M. Groth, Ph. Mertens, V. Philipps, U. Samm, TEXTOR-, ASDEX-Upgrade-, DIII-D-Teams, JET-EFDA Contributors Journal of Nuclear Materials 363–365 (2007) 1119–1128 [Bul00] A.J. Bullen, K.E. O'Hara, D.G. Cahill Journal of Applied Physics 88 (2000) 6317-6320 [Car] H.S. Carslaw, J.C. Jaeger Conduction of heat in solids Oxford Clarendon press 1959, ISBN 0-19-853368-3 [Coa01] J.P. Coad, N. Bekris, J.D. Elder, S.K. Erents, D.E. Hole, K.D. Lawson, G.F. Matthews, R.-D. Penzhorn, P.C. Stangeby Journal of Nuclear Materials 290–293 (2001) 224–230 [D5033] DIN5033 Teil 3 (Farbmessung, Farbmaßzahlen) [Dav95] J.W. Davis, A.A. Haasz Journal of Nuclear Materials 220-222 (1995) 832-835 [Dit08] T. Dittmar, A. von Keudell, A. Kreter Veröffentlichung in Vorbereitung (Mai 2008) [EIREN] D. Reiter Berichte der Kernforschungsanlage Jülich, JUEL-2599, Jülich 1992 auch: http://www.eirene.de [Haa95] A.A. Haasz, P. Franzen, J.W. Davis, S. Chiu, C.S. Pitcher Journal of Applied Physics 77 (1995) 66-86 [Hin95] E. Hintz, B. Schweer Plasma Phys. Control. Fusion 37 No 11A (1995) A87-A101 [Hof90] H. Hoffschultz Diplomarbeit Universität Bonn 1990 [Hub01] A. Huber, M. Mayer, V. Philipps, A. Pospieszczyk, T. Ohgo, M. Rubel, B. Schweer, G. Sergienko, T. Tanabe Physica Scripta, T94 (2001), 102-105 [HYDKI] Reaction kinetics analysis, for Hydrocarbon catabolism in hydrogen plasmas http://www.eirene.de/eigen/ [IEA07] IEA-Statistiken: Key World Energy Statistics 2007 http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2005/ElecCost.pdf [Ish06] Y. Ishimoto, Y. Gotoh, T. Arai, K. Masaki, N. Miya, N. Oyama, N. Asakura Journal of Nuclear Materials 350 (2006) 301-309 [ITERw] Offizielle Webseite der ITER-Organisation http://www.iter.org [ITMat] ITER-Material-Handbuch http://fusionnet.seas.ucla.edu/fusionnetwork/ [Jac98] W. Jacob Thin Solid Films 326 (1998) 1-42 [Jac05] W. Jacob Journal of Nuclear Materials 337-339 (2005) 839-846 [JaR02] R. Janev, D. Reiter Physics of Plasmas 9 (2002) 4071-4081 [Kre07] A. Kreter, S. Brezinsek, M. Rubel, B. Emmoth, M. Freisinger, P. Pelicon, V. Philipps, O. Schmitz, P. Sundelin, G. Sergienko, TEXTOR team 17th International Vacuum Congress (IVC-17), Stockholm, July 2-6, 2007 accepted for publication in Journal of Physics: Conference Series [Küp95] J. Küppers Surface Science Reports 22 (1995) 249-321 [May01] M. Mayer, V. Philipps, P. Wienhold, H.G. Esser, J. von Seggern, M. Rubel Journal of Nuclear Materials 290-293 (2001) 381-388 [McK82] D.R. McKenzie, R.C. McPhedran, L.C. Botten, N. Savvides, R.P. Netterfield Applied Optics 21 (1982) 3615-3622 [Mer01] Ph. Mertens, S. Brezinsek, P.T. Greenland, J.D. Hey, A. Pospieszczyk, D. Reiter, U. Samm, B. Schweer, G. Sergienko, E. Vietzke Plasma Phys. Control. Fusion 43 (2001) A349-A373 [Möl95] W. Möller, W. Fukarek, K. Lange, A. von Keudell, W. Jacob Jpn. J. Appl. Phys. 34 (1995) 2163-2171 [Neu05] O. Neubauer, G. Czymek, B. Giesen, P. W. Hüttemann, M. Sauer, W. Schalt, J. Schruff Fusion Science and Technology 47 (2005) 76-86 [Num] W.H. Press Numerical Recipes: The art of scientific computing Cambridge University Press 2007 – ISBN 978-0-521-88407-5 [Oya05] Y. Oya, Y. Hirohata, T. Tanabe, T. Shibahara, H. Kimura, M. Oyaidzu, T. Arai, K. Masaki, Y. Gotoh, K. Okunod, N. Miyae, T. Hino, S. Tanaka Fusion Engeneering and Design 75-79 (2005) 945-949 [Pea99] A.T. Peacock, P. Andrew, P. Cetier, J.P. Coad, G. Federici, F.H. Hurd, M.A. Pick, C.H. Wu Journal of Nuclear Materials 266-269 (1999) 423-428 [Phi05] V. Philipps Fusion Science and Technology 47 (2005) 119-125 [Pil89] J. Pillath Berichte des Forschungszentrums Jülich, Jül-2292, Jülich 1989 [Pos93] A. Pospieszczyk Diagnostic of edge plasmas by optical methods, Hrsg. R.K. Janev, H.W. Drawin Elsevier Science Publishers 1993 – ISBN 0-444-81630-5 [Pos99] A. Pospieszczyk, Ph. Mertens, G. Sergienko, A. Huber, V. Philipps, D. Reiter, D. Rusbüldt, B. Schweer, E. Vietzke, P.T. Greenland J. Nucl. Mat. 266-269 (1999) 138-145 [Rei84] D. Reiter Berichte der Kernforschungsanlage Jülich, JUEL-1947, Jülich 1984 [Rob02] J. Robertson Materials Science and Engineering R Reports (2002) 37 129-281 [Rot99] J. Roth Journal of Nuclear Materials 266-269 (1999) 51-57 [Rub01] M. Rubel, P. Wienhold, D. Hildebrandt Journal of Nuclear Materials 290–293 (2001) 473-477 [Smi05] O. Schmitz Berichte des Forschungszentrums Jülich, JUEL-4220, Jülich 2006 [Swa99] T. Schwarz-Selinger, A. von Keudell, W. Jacob Journal of Applied Physics 86 (1999) 3988-3996 [Swa03] T. Schwarz-Selinger, M. Meier, C. Hopf, A. von Keudell, W. Jacob Vacuum 71 (2003) 361-376 [Swe05] B. Schweer, S. Brezinsek, H. G. Esser, A. Huber, Ph. Mertens, S. Musso, V. Philipps, A. Pospieszczyk, U. Samm, G. Sergienko, P. Wienhold Fusion Science and Technology 47 (2005) 138-145 [Swf05] B. Schweer, A. Huber, G. Sergienko, V. Philipps, F. Irrek, H.G. Esser, U. Samm, M. Kempenaars, M. Stamp, C. Gowers, D. Richards Journal of Nuclear Materials, 337-339 (2005) 570-574 [Swe07] B. Schweer, F. Irrek, G. Sergienko, V. Philipps, U. Samm Journal of Nuclear Materials 363-365 (2007) 1375-1379 [Unt05] B. Unterberg, S. Brezinsek, G. Sergienko, C.C. Chu, P. Dumortier, J.D. Hey, D. Kalupin, A. Kreter, M. Lehnen, A.M. Messiaen, Ph. Mertens, A. Pospieszczyk, U. Samm, B. Schweer, M.Z. Tokar, G. Van Wassenhove, the TEXTOR-team Journal of Nuclear Materials 337-339 (2005) 515-519 [Vie94] P. Franzen, E. Vietzke Journal of Vacuum Science & Technology A 12 (1994) 820-825 [Wesso] John Wesson Tokamaks Oxford Clarendon Press 2004 – ISBN 0-19-8509227 [Wie90] P. Wienhold, J. von Seggern, H.G. Esser, J. Winter Journal of Nuclear Materials 176-177 (1990) 150-157 [Wie94] P. Wienhold, F. Weschenfelder, J. Winter Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 94 (1994) 503-510 [Wie03] P. Wienhold, V. Philipps, A. Kirschner, A. Huber, J. von Seggern, H.G. Esser, D. Hildebrandt, M. Mayer, M. Rubel, W. Schneider Journal of Nuclear Materials 313–316 (2003) 311–320 | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 14.07.2008 | |||||||
| Dateien geändert am: | 14.07.2008 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 09.05.2008 | |||||||
| Datum der Promotion: | 17.06.2008 |
