Laser-Induced Ablation and Desorption of Deuterium-Containing Tungsten Films

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The laser-induced desorption (LID) and laser-induced ablation (LIA) methods are compared with each other regarding the possibility of measurements an absolute quantitative analysis of hydrogen isotopes content in first wall materials of fusion reactors. Deuterium containing tungsten films with a thickness of 300–400 nm on a silicon substrate were used as model samples. To implement the LID, the samples were irradiated with laser pulses with a duration of 200 microseconds and an energy density of 50–150 J/cm2, for LIA – 12 ns and 5–15 J/cm2. The registration of residual gases was carried out by quadrupole mass spectrometry. Computer simulation of laser pulse heating was performed for the LID process. The simulation results and experimental data showed that heating at an energy density of 100–150 J/cm2 is sufficient to degas tungsten films of the studied thickness. A comparison of the amount of desorbed deuterium in the LID (150 J/cm2) and LIA (15 J/cm2) modes shows that it is identical within the measurement error and is equal to 4.15±0.15·1014 cm-2.

About the authors

E. V. Smirnova

A.F. Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences; Saint Petersburg State University

Author for correspondence.
Email: evsmirnova@mail.ioffe.ru
Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

O. S. Medvedev

A.F. Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences; MEPhI National Research Nuclear University

Email: evsmirnova@mail.ioffe.ru
Russian Federation, Saint Petersburg; Moscow

A. G. Razdobarin

A.F. Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences; Saint Petersburg State University

Email: evsmirnova@mail.ioffe.ru
Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

D. I. Elets

A.F. Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences; MEPhI National Research Nuclear University; Saint Petersburg State University

Email: evsmirnova@mail.ioffe.ru
Russian Federation, Saint Petersburg; Moscow; Saint Petersburg

L. A. Snigirev

A.F. Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences; Saint Petersburg State University

Email: evsmirnova@mail.ioffe.ru
Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Ya. R. Shubin

A.F. Ioffe Physicotechnical Institute, Russian Academy of Sciences; Saint Petersburg State University

Email: evsmirnova@mail.ioffe.ru
Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

References

  1. Mukhin E.E. et al. In situ monitoring hydrogen isotope retention in ITER first wall // Nuclear Fusion. 2016. V. 56. № 3. P. 036017. https://doi.org/10.1088/0029-5515/56/3/036017
  2. Roth J. et al. Tritium inventory in ITER plasma-facing materials and tritium removal procedures // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2008. V. 50. № 10. P. 103001. https://doi.org/10.1088/0741-3335/50/10/103001
  3. Родина Н.Д., Морозова Н.Б., Введенский А.В. Кинетика выделения атомарного водорода и водородопроницаемость сплавов Ag-Pd в щелочной среде // Конденсированные среды и межфазные границы. 2020. Т. 22. № 2. С. 96–104. https://doi.org/10.17308/kcmf.2020.22/2853
  4. Dellasega D. et al. Deuterium retention and surface modifications of nanocrystalline tungsten films exposed to high-flux plasma // J. Nuclear Materials. 2015. V. 463. P. 989–992. doi: 10.1016/j.jnucmat.2014.11.025
  5. Skinner C.H. Tritium retention and removal in Tokamaks // AIP Conference Proc. American Institute of Physics, 2009. V. 1095. № 1. P. 127–145. https://doi.org/doi: 10.1063/1.3097310
  6. Krat S.A. et al. A setup for study of co-deposited films // J. Instrumentation. 2020. V. 15. № 1. P. P01011. https://doi.org/10.1088/1748-0221/15/01/P01011
  7. Rubel M. et al. Efficiency of fuel removal techniques tested on plasma-facing components from the TEXTOR tokamak // Fusion Engineering and Design. 2012. V. 87. № 5–6. P. 935–940. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2012.02.054
  8. Katayama K., Nishikawa M., Yamaguchi J. Isotope effect in hydrogen isotope exchange reaction on first wall materials // J. Nuclear Science and Technology. 2002. V. 39. № 4. P. 371–376. https://doi.org/10.1080/18811248.2002.9715206
  9. Hodille E.A. et al. Retention and release of hydrogen isotopes in tungsten plasma-facing components: the role of grain boundaries and the native oxide layer from a joint experiment-simulation integrated approach // Nuclear Fusion. 2017. V. 57. № 7. P. 076019. https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa6d24
  10. Moshkunov K.A. et al. Air exposure and sample storage time influence on hydrogen release from tungsten // J. Nuclear Materials. 2010. V. 404. № 3. P. 174–177. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2010.07.011
  11. Zlobinski M. et al. Laser induced desorption as tritium retention diagnostic method in ITER // Fusion Engineering and Design. 2011. V. 86. № 6–8. P. 1332–1335. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2011.02.030
  12. Paris P. et al. Comparison of LIBS results on ITER-relevant samples obtained by nanosecond and picosecond lasers // Nuclear Materials and Energy. 2019. V. 18. P. 1–5. https://doi.org/10.1016/j.nme.2018.11.018
  13. Maddaluno G. et al. Detection by LIBS of the deuterium retained in the FTU toroidal limiter // Nuclear Materials and Energy. 2019. V. 18. P. 208–211. https://doi.org/10.1016/j.nme.2018.12.029
  14. Gierse N. et al. In situ characterisation of hydrocarbon layers in TEXTOR by laser induced ablation and laser induced breakdown spectroscopy // J. Nuclear Materials. 2011. V. 415. № 1. P. S1195–S1198. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2010.11.055
  15. Van Der Meiden H.J. et al. Monitoring of tritium and impurities in the first wall of fusion devices using a LIBS based diagnostic // Nuclear Fusion. 2021. V. 61. № 12. P. 125001. https://doi.org/10.1088/1741-4326/ac31d6
  16. Razdobarin G.T. et al. Detecting dust on plasma-facing components in a next-step tokamak using a laser-induced breakdown spectroscopy technique // Fusion Science and Technology. 2002. V. 41. № 1. P. 32–43. https://doi.org/10.13182/FST02-A198
  17. Liu J. et al. Study of spectral intensity of the laser ablated tungsten plasma and ablation mass at various laser spot sizes and laser fluence in vacuum environment // Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 2023. V. 199. P. 106569. https://doi.org/10.1016/j.sab.2022.106569
  18. Zhang D.L. Processing of advanced materials using high-energy mechanical milling // Progress in Materials Science. 2004. V. 49. № 3–4. P. 537–560. https://doi.org/10.1016/S0079-6425(03)00034-3
  19. Yehia-Alexe S.A. et al. Considerations on hydrogen isotopes release from thin films by laser induced ablation and laser induced desorption techniques // Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 2023. V. 208. P. 106774. https://doi.org/10.1016/j.sab.2023.106774
  20. Zlobinski M. et al. Laser-Induced Desorption of co-deposited Deuterium in Beryllium Layers on Tungsten // Nuclear Materials and Energy. 2019. V. 19. P. 503–509. https://doi.org/10.1016/j.nme.2019.04.007
  21. Krat S. et al. Tungsten-deuterium co-deposition: Experiment and analytical description // Vacuum. 2018. V. 149. P. 23–28. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2017.12.004
  22. Kajita S. et al. Plasma-assisted laser ablation of tungsten: Reduction in ablation power threshold due to bursting of holes/bubbles // Applied Physics Letters. 2007. V. 91. №. 26. https://doi.org/10.1063/1.2824873

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».