Physikalische Zerstäubung rauer Oberflächen

Auf physikalischer Zerstäubung beruhen verschiedene Wechselwirkungen von Plasmen mit Oberflächen, zum Beispiel Magnetron-Sputtern oder Ionenätzen, ebenso wie Analysemethoden wie Sputter-Photoelektronenspektroskopie (Sputter-XPS) oder Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS). Zerstäubung ist auch der wichtigste Prozess, der zur Erosion von Wandmaterial beim Betrieb von Fusionsanlagen führt, und wird daher schon lange experimentell und theoretisch erforscht. Monte-Carlo-Codes wie SDTrimSP zum Beispiel simulieren erfolgreich die Zerstäubung durch Coulomb-Wechselwirkung auf glatten Oberflächen. Sie sind jedoch nicht geeignet, die Zerstäubung rauer, dreidimensionaler Oberflächen zu beschreiben.

Deshalb wurde die Funktionalität von SDTrimSP jetzt erweitert, um auch komplex strukturierte Oberflächen behandeln zu können. Dieser SDTrimSP-3D genannte Code kann nicht nur Zerstäubungsausbeuten und Reflexionskoeffizienten als Funktion der einfallenden Teilchenfluenz berechnen, sondern auch die Veränderung der Oberflächenmorphologie und ihrer Elementzusammensetzung während des Beschusses.

Um den Code zu überprüfen und seine Leistungsfähigkeit zu erweitern, wurden spezielle Proben mit wohldefinierter dreidimensionaler Oberflächenstruktur hergestellt und anschließend durch Teilchenbeschuss schrittweise erodiert. Für die einzelnen Erosionsstufen wurden dann die Morphologie und Zusammensetzung der Oberflächen mit den Vorhersagen von SDTrimSP-3D verglichen.

Links: SDTrimSP-3D-Modell einer Tantal-Probe nach Beschuss mit Argon-Ionen einer Fluenz von 7 × 1020 Teilchen pro m2.

Rechts: Der Vergleich des Modells (bunt) mit dem Mikroskop-Bild der realen Probe (grau) zeigt gute Übereinstimmung.

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