Universität zu Köln

Gierse, Niels (2014). Assessment of Laser Induced Ablation Spectroscopy (LIAS) as a method for quantitative in situ surface diagnostic in plasma environments. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In this work Laser Induced Ablation Spectroscopy (LIAS) is investigated as an in situ plasma surface interaction diagnostic for fusion reactors and fusion experiments. In LIAS an intensive laser pulse is used to ablate the material under investigation during plasma operation. Ablation products penetrate into the edge region of the plasma and are excited and ionized. In case of molecules and clusters additionally dissociation occurs. The emitted line radiation is observed by radiometric calibrated spectroscopy. Results from LIAS of W/C/Al/D–mixed layers and amorphous hydrocarbon layers are presented. Using a fast camera system time resolved measurements of the LIAS–process could be performed, allowing investigation of the temporal behavior of excitation, dissociation and ionization processes. For Tungsten, 90% of the LIAS light is observed within 10 +- 3 µs after the laser pulse. In case of carbon within 20 +- 3 µs. Additionally separation in time of LIAS emission and the LIBS emission caused by the laser pulse at the surface within single measurements was demonstrated. This allows the separate analysis of both processes in a coaxial setup which is foreseen for future experiments. The inverse photon efficiency of the Balmer D_alpha-emission from LIAS of a-C:D layers was found to be [D/XB]=71 +- 7. The plasma perturbation due to LIAS was investigated by laser energy density variation when ablating W/C/Al/D–mixed layers. Local plasma perturbation is found to increase with laser energy density. Balmer D_gamma/D_delta - line intensity ratio measurements only show for ohmic discharges and the case of the lowest central density signs of local plasma perturbation in LIAS of graphite samples. A simple analytical model for local plasma perturbation during LIAS is introduced and evaluated. Qualitative agreement between the model and the above reported experimental observations is found; a stronger influence on local conditions is found by tungsten than by carbon ablation, with ohmic discharges more susceptible to perturbation than neutral beam injector heated ones. Limitations and possible improvements of the model are discussed. A Monte Carlo code developed in the framework of this thesis is used for modeling the measured neutral atom emission profiles. The model is in good agreement with the analytical solution in case of a homogeneous plasma. With the best estimate input parameters no agreement between observed and modeled emission profiles is found. Thus, a three dimensional parameter space describing the plasma profile is defined by density and temperature at the last closed flux surface and the density decay length. In this parameter space the surface on which measured and simulated profile emission maxima agree is found for both Tungsten and Carbon. In case of Tungsten, agreement between measured and simulated mission profile shape is found for lambda_ne = 13 mm. In contrast, for carbon no match for the emission shapes can be found. Taken together with the spectroscopic observation this suggests that non-atomic species significantly contribute to the observed light emission, creating the need for extension of the model. In the concluding discussion the results are discussed and further investigations are proposed.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung einer in situ Diagnostik für Plasma–Wand–Wechselwirkung in Fusionsreaktoren und -experimenten, Laserinduzierte Ablationsspektroskopie (LIAS). Im Rahmen dieser Methodik wird bei vorhandenem Plasma in einem Fusionsexperiment mittels eines leistungsstarken Laserpuls das zu untersuchende Material ablatiert. Die Ablationsprodukte dringen in die Randschicht des Plasmas ein und werden angeregt und ionisiert, im Falle von Molekülen und Clustern dissoziiert. Mittels quantitativer spektroskopischer Betrachtung wird die emittierte Linienstrahlung beobachtet. Resultate von LIAS Messungen an W/C/Al/D–Mischschichten und amorphe Kohlenwasserstoffschichten werden erstmalig vorgestellt. Mittels schneller Kamera lässt sich der LIAS–Prozess zeitaufgelöst messen, was eine nähere Betrachtung des zeitlichen Verhaltens der Anregungs-, Dissoziations- und Ionisationsprozesse ermöglicht. 90% des LIAS-Lichtes wird im Falle von Wolfram innerhalb von 10 +- 3 µs nach dem Laserpuls beobachtet, im Falle von Kohlenstoff innerhalb von 20 +- 3 µs. Ferner ist es gelungen LIAS– und die an durch die Ablation an der Oberfläche entstehende LIBS-Emission innerhalb einzelner Messungen zeitlich getrennt aufzuzeichnen. Dies ermöglicht die getrennte Analyse beider Prozesse in koaxialer Beobachtung die in zukünftigen Experimenten notwendig sein wird. Die inverse Photoneneffizienz des Balmer D_alpha-Lichts durch LIAS an a-C:D–Schichten wird zu [D/XB]=71 +- 7 bestimmt. Durch Laser–Energiedichtenleistungsvariation auf W/C/Al/D–Mischschichten werden Plasmastörungsexperimente durchgeführt. Ein Zusammenhang zwischen lokaler Plasmastörung und Leistungsdichte kann gezeigt werden. Aus Messungen der Balmer H_gamma/H_delta - Linienintensitätsverhältnisse kann nur für ohmsche Entladungen und den Fall der niedrigsten Zentraldichte eine lokale Plasmastörung bei LIAS von Graphitproben nachgewiesen werden. Ein einfaches analytisches Modell, das die örtliche Plasmastörung während LIAS beschreibt wird vorgestellt und ausgewertet. Die Vorhersagen entsprechen qualitativ den obigen experimentellen Beobachtungen, was mit einer stärkeren Plasmastörung durch Wolfram als durch Kohlenstoff und eine höheren Anfälligkeit von ohmschen Entladungen als bei mittels Neutralteilcheninjektion geheizten Entladungen übereinstimmt. Grenzen des Modells und Verbesserungsmöglichkeiten werden diskutiert. Mittels eines im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Monte Carlo Codes werden die gemessenen Emissionen neutraler Atome modelliert. Das Modell zeigt gute Übereinstimmung mit der analytischen Lösung für ein homogenes Plasma. Weder für Kohlenstoff noch für Wolfram wird eine Übereinstimmung der modellierten Emissionsprofile mit den gemessenen Emissionsprofilen für die besten Schätzwerte der Eingabeparameter gefunden. Daher wird durch variierte Werte von Plasmadichte und -temperatur an der letzten geschlossenen Flussfläche sowie der Dichteabfalllänge ein dreidimensionaler Raum aufgespannt. Innerhalb dieses Raumes wird für Wolfram und Kohlenstoff eine Lösungsfläche ermittelt, für die gemessenes und simuliertes Emissionsmaximum übereinstimmen. Im Falle von Wolfram stimmen die simulierten Emissionsprofile für den Teil der Lösungsfläche mit lambda_ne = 13 mm mit der Beobachtung überein. Im Gegensatz dazu ist für Kohlenstoff keine Übereinstimmung der Profilformen zu erreichen. Dies deutet –zusammengenommen mit spektroskopischen Beobachtungen– darauf hin, dass nichtatomare Spezies einen erheblichen Anteil zum beobachteten Emissionslicht beitragen und somit einen Ausbau des Models erforderlich machen. Abschließend werden die Ergebnisse diskutiert und weitere Untersuchungen vorgeschlagen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Gierse, Niels n.gierse@smail.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-57719
Series Name:	Schriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Energie & Umwelt
Volume:	231
Date:	2014
Publisher:	Forschungszentrum Jülch GmbH
ISSN:	1866-1793
ISBN:	978-3-89336-994-2
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics I
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Plasma-Wall-Interaction, Laser induced ablation spectroscopy, LIAS, in situ, quantitative diagnostic English
Date of oral exam:	27 May 2014
Referee:	Name Academic Title Giesen, Thomas Prof. Dr. Schlemmer, Stephan Prof. Dr. Samm, Ulrich Prof. Dr.
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Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5771