Plasmaquelle „PlaQ“

Zur Untersuchung von Fragestellungen zur Plasma-Material-Wechselwirkung im Labor werden Materialproben unter möglichst genau definierten Bedingungen verschiedenen Plasmen ausgesetzt.

Blick ins Innere der Plasmaquelle "PlaQ“ während des Plasmabetriebs. Im oberen Teil ist der "Käfig" erkennbar. Der aus dem Käfig austretende Plasmastrahl trifft unten auf den Probenhalter.

In der Plasmaquelle „PlaQ“ (nebenstehende Abbildung) werden hierfür Niederdruckplasmen bei typischen Gasdrücken um 1 Pa mit Elektronentemperaturen von einigen eV erzeugt. Als Arbeitsgase werden hauptsächlich Wasserstoff (H2) und Deuterium (D2) verwendet, aber auch Helium, Stickstoff, Sauerstoff und andere Gase, sowie ggf. Gasmischungen.

In der Anlage „PlaQ“ wird mit Hilfe von Mikrowellen und einem äußeren Magnetfeld ein ECR-Plasma in einem „Käfig“ innerhalb des Vakuumgefäßes erzeugt. Zweck des Käfigs ist es, die Mikrowellenstrahlung weitgehend einzuschließen und damit das Plasma zu begrenzen. Durch eine Öffnung im Käfig strömt Plasma auf den Probenhalter. Eine elektrische Vorspannung (Bias) des Probenhalters beschleunigt Ionen aus dem Plasma in einer dünnen Randschicht. Wegen der räumlichen Trennung zwischen Probenhalter und Plasmaerzeugung wird das Quellplasma durch die Biasspannung kaum beeinflusst, so dass die Ionenenergie weitgehend unabhängig vom Ionenfluss eingestellt werden kann.

Da einige Prozesse der Plasma-Wand-Wechselwirkung, z.B. die Aufnahme und Rückhaltung von Wasserstoffisotopen (d.h. Fusionsbrennstoff), stark temperaturabhängig sind, verfügt die Anlage „PlaQ“ über ein System zur präzisen Temperaturregelung mittels zweier Flüssigkeits-Thermostate für unterschiedliche Temperaturbereiche. Hierdurch kann ein Temperaturbereich von ca. 200-600 K abgedeckt werden.

„PlaQ“ verfügt zudem über eine bewegliche Langmuir-Sonde, mit der das Profil des Ionenflusses auf den Probenhalter sowie Plasmaparameter gemessen werden können.

Schematische Darstellung der Plasmaquelle.

Ein leistungsfähiges Kamerasystem erlaubt die Beobachtung der Probenoberflächen in Echtzeit, während diese dem Plasma ausgesetzt sind. Damit können Details ab einer Größe von ca. 5 µm aufgelöst werden. Die Live-Beobachtung erlaubt es, nicht nur den Endzustand nach Beendigung der Plasmaexposition, sondern auch die Dynamik von Probenoberflächen im Plasma in Echtzeit zu untersuchen.

Der Forschungsschwerpunkt an PlaQ ist die Aufnahme und Rückhaltung von Wasserstoffisotopen in Werkstoffen für die erste Wand und den Divertor von Fusionsanlagen. Diese wird anschließend mittels Kernreaktionsanalyse am Tandembeschleuniger sowie mittels thermischer Desorptionsspektroskopie untersucht. Die Zusammensetzung und Energieverteilung des Ionenflusses für Standard-PlaQ-Deuteriumplasmen wurde in der Vergangenheit aufwändig kalibriert und publiziert.

Zu den untersuchten Materialien zählen neben Wolfram (Divertormaterial) auch Stähle, die speziell für den Einsatz in Fusionsreaktoren entwickelt wurden, sowie neuartige wolframbasierte Werkstoffe wie faserverstärktes Wolfram sowie Wolframlegierungen und Flüssigmetall (Zinn) als mögliches alternatives Divertormaterial.

Methoden:

Elektron-Zyklotron-Resonanzheizung
Zur Plasmaheizung wird die Elektron-Zyklotron-Resonanzheizung (ECRH) eingesetzt. Dieses Verfahren nutzt aus, dass geladene Teilchen in einem Magnetfeld eine Kreis- bzw. Spiralbahn um die Magnetfeldlinien beschreiben. Die Umlauffrequenz der Ladungsträger ist proportional zu Ladung und magnetischer Flussdichte, und invers proportional zur Masse der Teilchen. Den Teilchen wird resonant Energie zugeführt, indem elektromagnetische Wellen mit genau dieser Frequenz eingestrahlt werden. ECRH ist weit verbreitet bei der Erzeugung von Niedertemperaturplasmen in Laboren und in der Industrie und wird auch zur Heizung von Fusionsplasmen eingesetzt. Bei Ersterem werden Mikrowellensender mit der für Industrie, Forschung, medizinische Anwendungen und Haushaltsgeräte üblichen Frequenz von 2,45 GHz eingesetzt. Die Resonanzbedingung mit dieser Mikrowellenfrequenz wird bei einer magnetischen Flussdichte von 87,5 mT erreicht. In Fusionsexperimenten sind wegen der zum Plasmaeinschluss benötigten viel stärkeren Magnetfelder Sender mit entsprechend höherer Frequenz nötig.

Die ECR-Heizung ermöglicht einen effizienten Plasmabetrieb mit hohen Elektronendichten und in einem weiten Druckbereich. Da für diese Art der elektromagnetischen Wellenheizung keine Elektroden oder Antennen im direkten Plasmakontakt notwendig sind, sind die so erzeugten Plasmen auch meist sehr arm an Verunreinigungen, was sie insbesondere auch für Laboranwendungen und Fragestellungen in der Grundlagenforschung interessant macht. Die Plasmen in PlaQ können außerdem für lange Zeiten konstant aufrechterhalten werden, was Langzeit-Plasmaexpositionen ermöglicht (bisheriger Rekord: 2 Wochen durchgängige Plasmaexposition).

 

Langmuir-Sonde
Eine Langmuir-Sonde ist ein Werkzeug zur Bestimmung der Plasmaparameter in Niedertemperaturplasmen wie auch in der Randschicht von Fusionsplasmen. Sie besteht zumeist aus einem mehr oder weniger dünnen Draht, der gegenüber dem Vakuumgefäß elektrisch isoliert ist und somit vorgespannt werden kann. Aus der Messung von Strom-Spannungskennlinien können Elektronentemperatur und –dichte abgeleitet werden. Durch Verschieben der Sonde im Plasma bei fester Spannung können Dichte- bzw. Ionenflussprofile gemessen werden.

 

In-situ-Kamerasystem
Zur Beobachtung von Proben während der Plasmaexposition werden verschiedene telezentrische Objektive eingesetzt. Diese Spezialobjektive liefern ein Bild ohne perspektivische Verzerrung, d.h. ihr Abbildungsmaßstab hängt innerhalb des Schärfebereichs nicht vom Abstand des Objekts vom Objektivs ab. Da das Plasma auf Dauer die empfindlichen Linsen der Objektive schädigen würde, sind diese außerhalb des Plasmagefäßes angebracht und betrachten aus Platzgründen die Proben unter einem flachen Winkel, wodurch nur ein kleiner Bereich der Probe scharf erscheint. Durch Verschieben des Objektivs auf einer motorisierten Schiene kann jedoch jeder Bereich auf der Probe scharf abgebildet werden. Dank der telezentrischen Objektive kann sodann ein vollständig tiefenscharfes, verzerrungsfreies Bild errechnet werden.
Zur Bilderfassung dient eine hochauflösende Farb-CMOS-Kamera mit 4096x3000 Pixeln. Die bestmögliche räumliche Auflösung von 5 µm, die mit den zur Verfügung stehenden Objektiven erreicht werden kann, entspricht ca. 3 Pixeln.

Publikation

1.
A. Manhard, T. Schwarz-Selinger, and W. Jacob, "Quantification of the deuterium ion fluxes from a plasma source," Plasma Sources Science and Technology 20, 015010 (9pp) (2011).
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