W의 수소 동위원소 분석 - 절강 강 달리기 그룹

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2285(2023) 이 기사 인용

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레이저 유도 파괴 분광법(LIBS)은 자기 감금 융합 시설에서 플라즈마 직면 구성 요소의 현장 분석을 위한 유망한 기술입니다. 미래 원자로의 안전성과 가용성을 보장하기 위해 많은 작동 시간에 걸쳐 수소 동위원소(삼중수소 및 중수소) 보유를 모니터링하는 것이 주요 관심사입니다. 우리 연구에서는 첫 번째 벽의 조건을 모방한 선형 플라즈마 장치 PSI-2의 중수소 플라즈마에 노출된 텅스텐(W) 타일을 분석하기 위해 자외선 펨토초 레이저 펄스를 사용합니다. 고해상도 분광계는 주입된 수소 동위원소(H 및 D)로부터 표면의 Balmer-\(\alpha\) 전이를 감지하는 데 사용됩니다. 우리는 무보정 CF-LIBS를 사용하여 W에 저장된 중수소의 양을 정량화합니다. 이 원리 증명 연구는 일반적인 핵융합 실험의 첫 번째 벽 재료에 존재하는 낮은 중수소 농도를 감지하기 위한 펨토초 레이저의 적용 가능성을 보여줍니다.

자기적으로 제한된 융합 진공 챔버의 플라즈마 직면 구성 요소(PFC)는 특별한 고온, 방사선 및 고에너지 입자 플럭스를 포함한 극한 환경 조건에 노출됩니다. 이러한 모든 상황은 표면 침식, 입자 퇴적 및 잠재적 파괴로 이어져 핵융합 플라즈마 작업 중 연료 보유 가능성이 높아집니다1,2,3. 다가오는 핵융합로의 안전성과 삼중수소 자급자족을 보장하려면 PFC 내부의 중수소와 삼중수소의 총 흡수량을 여러 작동 시간에 걸쳐 현장에서 추적해야 합니다. LIBS(레이저 유도 파괴 분광학)의 사용이 제안되었습니다4. 이는 핵 폐기물 관리5 또는 현재 및 향후 화성 임무6의 재료 분석과 같은 무인, 저침습 진단에 수많은 응용 분야가 있기 때문입니다6. 특히, 작은 요소 감지 및 고해상도 애플리케이션과 관련하여 LIBS는 강력한 도구로 나타납니다7,8,9. 정량적 LIBS 방법의 한 가지 요구 사항은 팽창하는 플라즈마를 분석할 때 화학양론적 근사치가 유지될 수 있도록 레이저 펄스에 의해 벌크 재료로의 열 확산을 줄이는 것입니다. 이를 보장하고 높은 깊이 해상도를 달성하려면 피코초보다 짧은 레이저 펄스 지속 시간을 사용하는 것이 선호되는 솔루션입니다.

이 연구에서 우리는 아르곤 환경에서 레이저 플라즈마 생성을 위해 UV 초단 레이저 펄스를 사용했으며, 높은 스펙트럼 분해능 Czerny-Turner 분광계를 사용한 광 방출 감지와 결합했습니다. 여기서의 검출 방법은 Kurniawan et al.11의 연구와 유사합니다. CF-LIBS 접근 방식과 결합된 이 시스템 기능을 통해 Forschungszentrum Jülich12의 선형 플라즈마 장치 PSI-2에서 중수소 플라즈마에 노출된 텅스텐 타일의 수소 및 중수소 함량을 감지하고 정량화할 수 있었습니다. 이러한 타일은 이러한 맥락에서 PFC의 대용 역할을 합니다. CF-LIBS로 계산된 중수소 함량을 열 탈착 분광법(TDS)으로 얻은 결과와 직접 비교했습니다. UV 파장 \(343\,{\mathrm{nm}}\)과 펄스 지속 시간 \(500\,\mathrm{fs}\)은 가능한 가장 높은 깊이 분해능을 향해 작업하기 위해 선택되었으며 이는 유망한 결과입니다. 텅스텐의 작은 광학 침투 깊이 \(7.4\,{\mathrm{nm}}\)까지. 이 연구는 봉쇄 핵융합 실험에서 플라즈마를 향하는 구성 요소에 향후 적용하기 위해 수소 동위원소의 현장 정량화에 대한 원리 증명 역할을 합니다.

\(에서 WI(왼쪽) 및 \(\text{H}_{\alpha }\)(오른쪽) 스펙트럼 선의 감지된 최대 개수(게이트 너비 \(100\,{\mathrm{ns}}\)) 643.97\,{\mathrm{nm}}\) 및 \(656.28\,{\mathrm{nm}}\)는 주변 아르곤(파란색 사각형) 및 공기(빨간색 십자가)와 동일한 설정을 사용하여 처리되지 않은 텅스텐(W) 타일에서 나타납니다. ) 대기압에서. 지수 적합성은 점선으로 표시됩니다.

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>