Titelaufnahme

Titel
Erosion of tungsten surfaces by nitrogen ions / Paulus Naderer
VerfasserNaderer, Paulus
Begutachter / BegutachterinDobes, Katharina ; Aumayr, Friedrich
Erschienen2011
UmfangIV, 74 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2011
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
Quelle der Aufnahme
wird erscheinen in Physica Scripta
SpracheEnglisch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Wolfram / Stickstoff / Kernfusion / Plasma Wand Wechselwirkung / Quartzkristallmikrowaage / Zerstäubung
Schlagwörter (EN)tungsten / nitrogen / nuclear fusion / plasma wall interaction / quartz crystal microbalance / sputtering
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-39270 Persistent Identifier (URN)
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Erosion of tungsten surfaces by nitrogen ions [3.64 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die vorliegende Arbeit stellt Zerstäubungsmessungen von Wolfram mit einer Quartz-Kristall-Mikrowaage vor, welche bereits zuvor an der TU-Wien entwickelt wurde. Mit diesem Messaufbau ist es möglich Massenänderungen von dünnen Schichten von bis zu 10^(-5) g/s zu detektieren, dies entspricht dem Abtrag von nur 10^(-4) Wolfram Monolagen pro Sekunde.

Wolfram ist in zukünftigen Fusionsexperimenten wie etwa ITER (englisch:

International Thermonuclear Experimental Reactor) als eines derWandmaterialien vorgesehen, vor allem im sogenannten Divertor, wo hohe Belastungen erwartet werden. Um die Beanspruchung der Wolfram Bauteile zu verringern, wird die angrenzende Plasmarandschicht gekühlt.

Durch die Beseitigung von Kohlenstoff als Wandmaterial ist diese Kühlung durch intrinsische Verunreinigungen nicht mehr ausreichend, wodurch es notwendig wurde, zusätzliche Fremdstoffe in die Randschicht des Plasmas zu sprühen. Die Verwendung von Stickstoff als Kühlgas konnte z.B. die Belastung der Wolfram Bauteile im Fusionsexperiment ASDEX-Upgrade (Garching, Deutschland) auf tolerierbare Werte reduzieren. Dadurch ist die Untersuchung des Zerstäubungsverhalten von Wolfram durch Stickstoff-Ionen von erheblichem Interesse.

In dieser Arbeit werden sowohl atomare N+ als auch molekulare N2+ Stickstoff-Ionen als Projektile verwendet. Beim Vergleich der Zerstäubungsausbeute von molekularen mit gleich schnellen atomaren Ionen konnte eine unerwartete Erhöhung bei der Zerstäubung mit molekularen Projktilen festgestellt werden. Im allgemeinen wird angenommen, dass der Einschlag von Xn+ Ionen auf einen Festkörper die gleiche Zerstäubung hervorruft, wie der Aufprall von n X+ Ionen. Die gemessenen Zerstäubungsausbeuten von Wolfram pro Stickstoff Atom sind jedoch bei gleicher Aufprallgeschwindigkeit für molekulare N2+ Ionen um 25% höher als für atomare N+ Ionen. Dieser Anstieg in der molekularen Zerstäubungsausbeute wurde nur für Aufprallenergien kleiner als 500 eV pro Atom beobachtet. Die Ergebnisse dieser Messungen gemeinsam mit einer qualitativen Erklärung, basierend auf einem einfachem Model für den Transfer von Energie, werden in dieser Arbeit präsentiert.

Zusammenfassung (Englisch)

This work presents total sputtering yield measurements for tungsten, conducted with a quartz crystal microbalance, which was previously developed at the TU Wien. With this setup it is possible to detect mass changes of thin films as small as 10^(-5) g/s, which correspond to a removal of only 10^(-4) tungsten monolayers/s.

In future fusion devices like the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) tungsten is foreseen as one of the first wall materials especially in the divertor, where high power loads are expected. In order to reduce the power load on the divertor target plates the edge plasma is radiatively cooled. After eliminating carbon as first wall material from fusion devices, the radiation due to intrinsic impurities is no longer sufficient, and seeding of additional impurities into the edge plasma region becomes necessary. By using nitrogen as a seeding gas, the power flux onto the divertor plates of the magnetic fusion experiment ASDEX-Upgrade (Garching, Germany) could be reduced to acceptable values. Therefore sputtering yield measurements of tungsten due to the impact of nitrogen ions are of considerable interest.

In this thesis both atomic N+ and molecular N2+ nitrogen ions have been used as projectiles. An unexpected pronounced enhancement in molecular sputtering yields when compared to equally fast atomic nitrogen ions could be found. In general, it is often assumed that the impact of an Xn+ ion on a solid has the same effect as n X+ ions at the same velocity, especially in the low energy regime. However, measured sputtering yields per atom of molecular N2+ ions are approximately 25% higher than sputtering yields of atomic N+ ions at equal impact velocity. This increase in the molecular sputtering yield was observable below impact energies of 500 eV/atom. The results of these measurements together with a qualitative explanation of this enhancement based on a simple energy transfer model are given in this work.