Chemical erosion of carbon materials through hydrogen isotopes in low pressure plasmas

Kohlenstoff ist als Wandmaterial für zukünftige Fusionsreaktoren geplant und wird in derzeitigen Anlagen verwendet. Durch Wechselwirkung mit Wasserstoffplasmen wird eine Kohlenstoffoberfläche jedoch stark erodiert, was zu einer kurzen Lebenszeit der Komponenten, Verunreinigungen des Plasmas und Redeposition von Kohlenwasserstoffen führt. Dies ist kritisch im Hinblick auf die Verwendung von Tritium. Ist diese gleichzeitig energetischen Ionen und thermischen Wasserstoffatomen ausgesetzt, so ist die resultierende Erosion größer als die Summe aus rein chemischer und rein physikalischer Erosion, da ein synergistischer Effekt auftritt. Systematische Untersuchungen der Erosion wurden in induktiv gekoppelten HF-Niederdruckplasmen durchgeführt, welche homogene Plasmaparameter über der Oberfläche und gute Zugänglichkeit für Diagnostiken zur Bestimmung der relevanten Teilchenflüsse bieten. Der Kohlenstofffluss von der Oberfläche wurde aus Gewichtsverlustmessungen ermittelt. Um die Erosionsausbeute zu verringern, sind dotierte Graphite in Diskussion. Mit Hilfe der optischen Emissionsspektroskopie konnte unter Verwendung der Strahlungen von CH und C2 ein Zeitverlauf der Erosionsausbeute bei dotierten Materialien gewonnen werden. Der atomare Wasserstofffluss wurde aus einer Balmerlinie des Wasserstoffs bestimmt. Unter Verwendung eines energieauflösenden Massenspektrometers wurden Ionenflüsse und -zusammensetzungen ermittelt. Dabei wurde ein Isotopeneffekt festgestellt, welcher zu einer höheren Erosion in Deuteriumplasmen führt. Letztlich konnten Erosionsausbeuten von dotierten und undotierten Kohlenstoffmaterialien durch H2- und D2-Plasmen unter Variation der Ionenflüsse und der Oberflächentemperatur fluenzaufgelöst gewonnen werden. Nach der Plasmabehandlung wurde die Morphologie der Oberfläche ausgewählter Proben mit einem Rasterelektronenmikroskop untersucht.Carbon is planned to be a first wall material in future fusion devices and is used in present devices. Due to the interaction with hydrogen plasmas, the surface will be eroded strongly which leads to short component lifetimes, plasma contamination and redeposition of hydrocarbon layers which is critical concerning the usage of tritium. Simultaneous bombardment of energetic ions and thermal hydrogen atoms leads to an synergistic effect: the net erosion is greater than the sum of pure chemical erosion and pure physical sputtering. Systematic investigations of the erosion of graphite were carried out in inductively coupled RF low pressure plasmas which provide homogenous plasma parameters in front of the surface and a good accessibility for diagnostics of the relevant particle fluxes. The carbon flux from the surface was obtained by weight loss measurements. In order to reduce erosion yields doping of carbon is under discussion. Time dependent erosion yields of several doped graphites were then achieved by optical emission spectroscopy using the emission of the CH and the C2 molecules. The atomic hydrogen flux was obtained by a Balmer emission line of hydrogen. An energy resolved mass analyzer was used to achieve ion fluxes and the composition of the ions. Thereby an isotope effect of the ion composition is measured resulting in an enhanced erosion of graphite in deuterium plasmas. Finally fluence resolved erosion yields of pure and doped graphite materials in hydrogen and deuterium plasmas under variation of the incident ion energy and the surface temperature were obtained. After plasma treatment scanning electron microscopy delivered the morphology of selected samples