Изотопный анализ водорода в Вт - Группа бега по реке Чжэцзян

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2285 (2023) Цитировать эту статью

654 доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Спектроскопия лазерно-индуцированного пробоя (LIBS) — многообещающая технология для анализа на месте компонентов, обращенных к плазме, в термоядерных установках с магнитным удержанием. Большой интерес представляет мониторинг удержания изотопов водорода, т.е. трития и дейтерия, в течение многих часов работы, чтобы гарантировать безопасность и работоспособность будущего реактора. В наших исследованиях мы используем ультрафиолетовые фемтосекундные лазерные импульсы для анализа вольфрамовых (W) плиток, подвергшихся воздействию дейтериевой плазмы в линейном плазменном устройстве PSI-2, имитирующем условия у первой стенки. Спектрометр высокого разрешения используется для обнаружения перехода Бальмера-\(\альфа\) поверхности имплантированных изотопов водорода (H и D). Мы используем CF-LIBS без калибровки для количественного определения количества дейтерия, хранящегося в W. Это проверочное исследование показывает применимость фемтосекундных лазеров для обнаружения низкой концентрации дейтерия, присутствующего в материале первой стенки в преобладающих экспериментах по термоядерному синтезу.

Плазменные компоненты (PFC) термоядерной вакуумной камеры с магнитным удержанием подвергаются экстремальным условиям окружающей среды, включая чрезвычайно высокие температуры, радиацию и потоки частиц высокой энергии. Все эти обстоятельства приведут к эрозии поверхности, осаждению частиц и потенциальному разрушению, что приведет к более высокой вероятности удержания топлива во время операции термоядерной плазмы1,2,3. Чтобы обеспечить безопасность и самодостаточность трития будущего термоядерного реактора, общее количество поглощенного дейтерия и трития внутри ПФУ необходимо отслеживать на месте в течение многих часов работы. Было предложено использовать спектроскопию лазерно-индуцированного пробоя (LIBS)4, поскольку она также имеет многочисленные применения в автоматической малоинвазивной диагностике, такой как обращение с ядерными отходами5 или анализ материалов в текущих и предстоящих миссиях на Марс6. Особенно когда дело доходит до обнаружения мелких элементов и приложений с высоким разрешением, LIBS оказывается мощным инструментом7,8,9. Одним из требований к количественному методу LIBS является уменьшение диффузии тепла в объем материала с помощью лазерных импульсов, чтобы стехометрические приближения могли сохраняться при анализе расширяющейся плазмы. Чтобы обеспечить это и достичь высокого разрешения по глубине, предпочтительным решением является использование лазерного импульса длительностью менее пикосекунд10.

В данной работе мы использовали ультракороткие лазерные импульсы УФ-излучения для генерации лазерной плазмы в среде аргона в сочетании с детектированием оптического излучения с помощью спектрометра Черни-Тернера с высоким спектральным разрешением. Метод обнаружения здесь аналогичен исследованиям Курниавана и др.11. Возможности этой системы в сочетании с подходом CF-LIBS позволили обнаружить и количественно оценить содержание водорода и дейтерия в вольфрамовых плитках, подвергнутых воздействию дейтериевой плазмы в линейном плазменном устройстве PSI-2 в Forschungszentrum Jülich12. В этом контексте эти плитки служат заменой ПФУ. Содержание дейтерия, рассчитанное с помощью CF-LIBS, напрямую сравнивали с результатами, полученными с помощью термодесорбционной спектроскопии (TDS). Длина волны УФ \(343\,{\mathrm{нм}}\) и длительность импульса \(500\,\mathrm{fs}\) были выбраны для достижения максимально возможного разрешения по глубине, что является многообещающим из-за до малой глубины оптического проникновения \(7,4\,{\mathrm{нм}}\) в вольфраме13. Эта работа служит доказательством принципа количественного определения изотопов водорода на месте для будущего применения в компонентах, обращенных к плазме, в экспериментах по термоядерному синтезу.

Обнаружено максимальное количество (ширина затвора \(100\,{\mathrm{ns}}\)) спектральных линий WI (слева) и \(\text{H}_{\alpha }\) (справа) в точке \( 643,97\,{\mathrm{нм}}\) и \(656,28\,{\mathrm{нм}}\) на плитке из необработанного вольфрама (W) с использованием той же установки с окружающим аргоном (синие квадраты) и воздухом (красные крестики). ) при атмосферном давлении. Экспоненциальные аппроксимации обозначены пунктирными линиями.

4.3\times 10^{15}\,{\mathrm{cm}}^{-3}\)./p>400\,{\mathrm{ns}}\). Here, the uncertainties are just statistical variations and have to be extended by the mentioned approximations and deviations of the ablated volume. This includes that the value is probably more an upper limit due to the overestimated Balmer-\(\alpha\) intensity that is influenced by a \(\text{W}\)-I line. Considering this, the value holds up to a comparison to the TDS data. The total number of deuterium atoms detected in the whole sample is estimated as \((3.8\pm 0.8)\times 10^{16}\). Here, an accuracy of around \(21\%\) is calculated. From this we expect up to \((1.2\pm 0.2)\times 10^{11}\) atoms on the laser irradiated spot in the LIBS experiment, which is a factor two larger than what we calculated by the CF-LIBS approach. This deviation might result from the uncertainty of the two methods, as it can be expected from studies on PSI-227 that deuterium is only stored in depths of around \(100\,{\mathrm{nm}}\). Also note that the deuterium distribution along one dimension of the tiles surface is not homogeneous due to the plasma gradient given in the exposure process. This can result in an over or underestimation of the expected deuterium number depending on the position on the tile. The presented measurement is executed close to the center of the tile and along the axis where we do not expect significant changes in the deposition. In conclusion, the presented CF-LIBS method can be used to determine the deuterium impact in the used W tiles as around \((1.7\pm 0.5)\,\text{at}\%\) in the first \(600\,{\mathrm{nm}}\) behind the surface with a high lateral resolution of \(\sim 20\,\upmu \mathrm{m}\), according to the crater diameter./p>