Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3670
Die Rückhaltungs- und Reemissionsprozesse von Neon und Argon in Graphit (EK98) wurden
in der Ionenstrahlapparatur bei Ionenenergien von 2 bis 10 keV untersucht. In der
Anfangsphase der Bestrahlung wird der größte Teil der einfallenden Ionen zurückgehalten.
Nach Sättigung erreicht die Reemissionsausbeute einen Wert von eins. Die Desorptions-
prozesse von Neon und Argon sind jeweils erster Ordnung. Es zeigt sich, daß Argon im
Vergleich zu Neon ein breiteres Desorptionsspektrum mit höherer Maximumtemperatur (850
K, Eb = 2,06 eV für Argon bzw. 780 K, Eb = 2,35 eV für Neon) aufweist.
Die Rückhaltungsmengen nach der Sättigung sind praktisch unabhängig von der Ionenenergie.
Die Sättigungskonzentration von Neon (Ne/C = 0,15 für 10 keV bis Ne/C = 0,55 für 2 keV Ne+) ist
größer als die von Argon (Ar/C = 0,06 für 10 keV bis Ar/C = 0,18 für 3 keV Ar+). Mit
steigender Probentemperatur wird weniger Neon und Argon während der Bestrahlung
zurückgehalten bis sich schließlich bei Temperaturen oberhalb 1200 K keine Rückhaltung
mehr zeigt. Bei einer Nachbestrahlung der neonimplantierten Proben mit Deuteriumionen
konnte keine ioneninduzierte Freisetzung von Neon durch Deuteriumbestrahlung beobachtet
werden. Dies läßt sich wahrscheinlich auf zu niedrige Deuteriurnfluenzen in Verbindung mit
zu hohen Ionenenergien von Neon zurückführen. Bei Raumtemperatur wurde sowohl für
Neon als auch für Argon keine Diffusion beobachtet. Für Argon wurden zusätzlich
Messungen bis zu 800 K durchgeführt, bei denen ebenfalls keine Diffusion nachgewiesen
werden konnte.
Bei den Untersuchungen im TEXTOR-Plasma wurde eine neue Methode zur Bestimmung
der gesamten Anzahl der in Plasmen eingefügten Verunreinigungen entwickelt, die die
gesamte Bilanz des Einlasses und Abpumpens von Verumeinigungen berücksichtigt. Sowohl
für die absolute Menge als auch für die Konzentration im gesamten Plasma ergeben sich, trotz
geringerer Einlaßmenge von Argon, ähnliche Werte für Argon und Neon bei einem gleichen
Strahlungspegel [gamma]. Mit steigender Elektronendichte wurden geringere Mengen Neon und
Argon im Plasma gemessen. Aus der Teilchenbilanz konnte sowohl die effektive
Teilcheneinschlußzeit als auch die absolute dynamische Rückhaltung von Neon und Argon in
den Wänden zeitlich verfolgt werden. Hierbei ergaben sich drei typische Phasen während des
Verumeinigungseinlasses: In der ersten Phase (- 100 ms für Neon) tragen die meisten der
eingelassenen Verumeinigungen zu dem Aufbau der gewünschten Konzentration im Plasma
bei (Plasmapumpen). Die zweite Phase (- 600 ms) wird durch dynamisches Wandpumpen
bestimmt. In der letzten Phase bis zum Ende des Verumeinigungseinlasses werden die
meisten eingefügten Verumeinigungen schließlich durch den ALT II (Advanced Limiter Test
II) abgepumpt (ALT Pumpen). Ein Vergleich der drei Pumpprozesse für Neon und Argon
ergibt, daß der größte Teil von Neon (bis zu 70 %) durch ALT Pumpen entfernt wird. Dieser
Pumpmechanismus trägt beim Argon nur bis zu maximal 50 % bei. Es zeigt sich, daß
lediglich bis zu 15 % des eingelassenen Neons durch Wandpumpen abgepumpt wird,
wohingegen dieser Mechanismus bei Argon bis zu 50 % beiträgt. Die Ausgasmenge von
Argon (- 50% der Einlaßmenge) nach der TEXTOR-Plasmaentladung stimmt gut mit dem
aus der Teilchenbilanz abgeschätzten Wert überein. Argon und Xenon zeigen dabei gleiche
Freisetzungsraten, deren zeitliche Entwicklung sich proportional zu t-1.1 verhalten.
Der Ionenfluß und die Rückhaltung von Wasserstoff und Verunreinigungen (Ne, Ar) in
Graphit wurden in der Abschälschicht des Plasmas mittels der sogenannten Schnüffelsonde
gemessen. Mit steigendem Verumeinigungseinlaß nimmt der Wasserstofffluß stark ab,
was eine Reduzierung der konvektiven Wärmebelastung der Wand zur Folge hat. Das
Flußverhältnis von Verumeinigung zu Wasserstoff am Plasmarand beträgt bis zu 30 % für
Neon und einige Prozent für Argon. Aus dem Vergleich der Verumeinigungskonzentration im
Zentrum und am Plasmarand kann auf ein Hohlprofil der Verumeinigungskonzentration in
radialer Richtung geschlossen werden. Die in der Schnüffelsonde gemessenen Rückhaltungsmengen
von Neon und Argon in Graphit liegen bis zu einer Größenordnung über dem aus der
Teilchenbilanz abgeschätzten Wert der Zurückhaltung in den ALT-Limitern. Diese
Diskrepanz wird auf die unterschiedliche Geometrie- und die erhöhte Temperatur der ALT -
Limiter zurückgeführt. Andererseits sind die in der Schnüffelsonde gemessenen Rück-
haltungsmengen von Neon und Argon in Graphit aus dem TEXTOR-94 Plasma bis zu zwei
Größenordnungen kleiner als die in Ionenstrahlexperimenten gemessenen Werte. Dieser
Unterschied wird hauptsächlich mit der ioneninduzierten Freisetzung von Verumeinigungen
durch das Wasserstoffplasma erklärt.
The retention and reemission processes of neon and argon in graphite (EK98) were
investigated in an ion beam apparatus with ion energies between 2 and 10 keV. In the early
phase of irradiation the majority of incident ions are retained. After saturation, the reemission
reaches unity. The desorption processes of both neon and argon are first order ones. Argon, in
comparison with neon, has a broader desorption spectra with a higher maximum temperature
(850 K, Ebh = 2.06 eV, for argon and 780 K, Eb = 2.35 eV for neon). The retention at saturation
is almost independent of ion energy. The saturation concentration of neon (Ne/C = 0.15 for
10 keV Ne+ up to Ne/C = 0.55 for 2 keV Ne+) is larger than that of argon (Ar/C = 0.06 for
10 keV Ar+ up to Ar/C = 0.18 for 3 keV Ar+). Ion induced release of neon was simulated by
irradiating the neon saturated graphite with deuterium ion. In this trial no ion induced release
was observed. However, for a better simulation of this effect under TEXTOR plasma
conditions, lower ion energies of neon and deuterium and larger fluence of deuterium are
needed. With increasing sampIe temperature less neon and argon are retained in graphite
during the irradiation with ion beams and above 1200 K no retention is observed. No
diffusion of neon and argon was measured at room temperature. For argon additional
experiments were carried out, in which no diffusion of argon up to 800 K was observed.
From the investigations in the TEXTOR plasma a new method to determine the total
amount of impurity seeded in the plasma was developed from the overall balance of
impurity seeding and pumping. The amounts and concentrations of neon and argon in the
whole plasma are, though less amount of argon seeded, similar for the same radiation level [gamma].
With increasing electron density, less amounts of neon and argon in the plasma were
measured in the plasma. From the particle balance it was possible to deduce the effective
particle confinement time and the absolute dynamic retention of neon and argon as a
function of time. The dynamic retention can be divided into three phases during the impurity
seeding period. In the first phase (- 100 ms for neon), the majority of impurity seeded is
contributed to build-up the desired concentration in the plasma (plasma pumping). The second
phase (- 600 ms) is dominated by dynamic wallpumping. In the third phase (until the end of
the impurity injection), most of the impurity seeded are pumped out by ALT II (Advanced
Limiter Test II) pump (ALT pumping). Comparing the integration of the three pumpings of
neon and argon; a larger portion of neon is pumped out via ALT pumping (up to 70 % ) than
argon (up to 50 % ). The wall pumping plays a greater role for argon (up to 50 % ) than for
neon (up to 15 % of the injected neon). The outgassing of argon after the TEXTOR plasma
discharges( -50 % of argon seeded) complies with that expected from particle balance. Argon
and Xenon show the same release rate proportional to t-l.l.
The ion Dux and the retention of hydrogen and irnpurities (Ne, Ar) in graphite
sampie at the plasma edge (r = 0.49 rn) were rneasured in the Sniffer probe. The
hydrogen flux decreases significantly with increasing impurity seeding, which implies the
decrease of convective power load onto the walls. The flux ratio of impurity to hydrogen at
the plasma edge reaches up to - 30 % for neon and several percent for argon. From the
comparison of impurity concentrations at plasma centre and edge, it is considered that the
impurity concentrations have a hollow-like radial distribution. The retention of neon and
argon in graphite, measured in the Sniffer probe, is up to one order of magnitude larger than
those in the ALT limiters estimated from the particle balance, which is presumably due to the
different geometry and higher temperature of the ALT limiters. On the other hand, the
retention of neon and argon in graphite from TEXTOR-94 plasma measured in the Sniffer
probe are up to two orders of magnitude smaller than those measured in the ion beam
experiments. This discrepancy is explained by the ion-induced release of impurities via
hydrogen plasma impact.
Kim, Young-Mo
Retention and reemission behaviour of neon, argon and xenon on graphite exposed to TEXTOR-94 plasmas and ion beams
109 S., 1999
Die in TEXTOR-94 entdeckten "Radiative Improved Mode" (RI-Mode) Plasmen, bei denen
durch den gezielten Einlaß von Verunreinigungen wie zum Beispiel Neon oder Argon eine
strahlende Plasmarandschicht erzeugt wird, zeichnen sich durch einen verbesserten Energie-
und Teilcheneinschluß aus. Trotz der bedeutenden Problematik der Rückhaltung und
Rezyklierung der eingefügten Verunreinigungen (Ne, Ar , Xe) in den Wandkomponenten,
liegen kaum detaillierte Untersuchungen zu diesem Themenkomplex vor. Deshalb wurden
zum besseren Verständnis der RI-Mode die Eigenschaften der Rückhaltung und Rezyklierung
von Neon, Argon und Xenon in und an Graphit in einer Ionenstrahlapparatur und in RI-Mode
Plasmen an TEXTOR-94 untersucht.
The recently in TEXTOR-94 discovered Radiative Improved mode (RI-mode) plasmas, at
which a radiating plasma boundary is produced by a controlled seeding of impurities such as
neon or argon, are showing an improved energy- and particle-confinement. Despite the
importance of the characteristics of retention and recycling of the impurities seeded, there are
only a few direct investigations conceming this. For a better understanding of the RI-mode,
the characteristics of retention and recycling of neon, argon and xenon in and on graphite
were investigated in ion beam experiments and in RI-mode plasma of TEXTOR-94.
Neuerscheinungen
Schriften des Forschungszentrums Jülich
Ihre Ansprechperson
Heike Lexis
+49 2461 61-5367
zb-publikation@fz-juelich.de