title: Influence of roughness on sputter yields of tungsten-dcoatings relevant for nuclear fusion devices
Creators: name: Cupak, Christian
Publisher: name: TU Wien
Year: 2019
Subjects: subject: Fusionsenergie
subject: Erosion
subject: Wolfram
subject: fusion energy
subject: erosion
subject: tungsten

description: Kernfusionsreaktoren haben das Potential, in der Zukunft einen grundlegenden Beitrag zur Energieversorgung für die Menschheit zu liefern. Für einen effizienten Betrieb eines solchen Kraftwerks ergeben sich äußerst intensive physikalische Bedingungen im Inneren des Reaktors, welche hohe Anforderungen an potentielle Materialien für die Reaktorwand darstellen. Es ist somit von fundamentalem Interesse, die Wechselwirkungen zwischen Plasmateilchen und möglichen Wandmaterialien zu untersuchen. Eigenschaften wie die Erosionsbeständigkeit unter Ionenbeschuss stellen ein wichtiges Auswahlkriterium dar, da abgetragene Wandpartikel im Plasma zu massiven Auswirkungen auf die Effizienz des Energieeinschlusses führen können. Wolfram hat vorteilhafte Eigenschaften, wie zum Beispiel den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle, niedrige Lösbarkeit von Wasserstoffisotopen, sowie eine vergleichbar niedrige Zerstäubungsrate (Sputter Yield), welche die physikalische Größe zur Beschreibung von Erosion unter Partikelbeschuss ist. Aus diesem Grunde ist Wolfram auch im Fokus der aktuellen Kernfusionsforschung. Das grundlegende Ziel dieser Diplomarbeit war, die Zerstäubungsrate für Wolframschichten mit variablen Oberflächenrauhigkeiten zu ermitteln. Der Einfluss von Rauhigkeit auf die Zerstäubungsrate ist von grundlegendem Interesse, da auch für die innere Reaktorwand eines zukünftigen Kernfusionskraftwerks eine gewisse technische Rauhigkeit angenommen werden kann. Die Methode der Quartzkristall-Mikrowaage (QCM) bietet die Möglichkeit, Zerstäubungsraten direkt zu messen, wobei jedoch die Proben für den Ionenbeschuss in Form von beschichteten Quarzkristallen vorliegen müssen. Um diese Limitation zu umgehen, wurde ein neuer und flexibler Fänger-QCM-Apparat gebaut, mit dem eine Bestimmung der Zerstäubungsrate von den gewünschten Wolframschichten ermöglicht wurde. Nachdem diese Wolframschichten bezüglich ihrer Rauhigkeit und elementarer Zusammensetzung charakterisiert wurden, sind Experimente mithilfe von 2 keV Ar1+ Ionen unter einem Einfallswinkel von 60 im Ultrahochvakuum durchgeführt worden. Des Weiteren wurden die experimentellen Ergebnisse mit Daten aus numerischen Simulationen verglichen, die auf Basis des Binary Collision Approximation (BCA) Codes TRI3DYN durchgeführt wurden. Die Resultate dieser Diplomarbeit wurden weiters für den wissenschaftlichen Fortschritt des europäischen Kernfusionsforschungsnetzwerks EUROfusion berücksichtigt, welches die grundlegenden Ziele für diese Untersuchungen in der Kampagne PFC-SP 2.4.2 definiert hatte.
description: Nuclear fusion reactors have the potential to become a major energy source for humanity in future. Due to the intense physical conditions necessary for adequate energy yields, high requirements on first-wall coatings at the inside of a fusion reactor are demanded. It is therefore of fundamental interest to investigate the interactions of plasma particles with probable first wall materials. Properties regarding erosion under ion bombardment form a crucial selection criteria for utilisation, since eroded wall atoms drastically decrease the energy confinement efficiency of the plasma in the vessel. Tungsten has advantageous characteristics, like the highest melting point of all metals, low solubility for hydrogen isotopes and a comparable low sputter yield, which is the physical quantity describing the erosion by particle impact. Therefore, this material is in focus of current nuclear fusion research. In the course of this diploma thesis, the sputter yield of tungsten coatings with varying surface roughness had to be determined. Roughness effects are of fundamental interest, since a technical rough surface finish also has to be expected for the first wall of a future fusion power plant. The Quartz Crystal Microbalance (QCM) technique offers a direct determination of sputter yields, but is limited to coated quartz crystals as target samples for ion bombardment only. Via development of a new flexible catcher - QCM apparatus, this limitation was successfully circumvented and provided a basis for sputter yield determination of the desired samples. After initial sample characterisation regarding surface topography and elemental composition, the main experiments were executed via bombardment of the tungsten coatings utilising 2 keV Ar1+ ions under 60 angle of incidence under Ultra High Vacuum (UHV) conditions. In addition, the experimental results were compared to numerical simulation data originating from the BCA code TRI3DYN. The outcome of this thesis contributed to the scientific progress of the European nuclear fusion research network EUROfusion, which defined a corresponding key task in the collab- orative campaign PFC-SP 2.4.2.