Ziel der Fusionsforschung ist es, die technischen Voraussetzungen für die Energiegewinnung aus der Deuterium-Tritium-Reaktion zu schaffen. Nächster Schritt auf dem Weg dorthin ist die Konstruktion des Experimentalreaktors ITER. Für die erste Wand des Vakuumgefäßes von ITER sind die drei Elemente Beryllium, Kohlenstoff und Wolfram vorgesehen. Nach Erosion im Plasmabetrieb werden die Materialien transportiert und zusammen mit Plasmaverunreinigungen wie zum Beispiel Sauerstoff von Oberflächenoxiden redeponiert. Dies führt zur Bildung von Verbindung durch chemische Reaktionen und diffusive Prozesse angetrieben durch sowohl erhöhte Temperaturen als auch durch Energieeintrag energetischer Partikel.
Aufgrund der Komplexität der stattfindenden Oberflächenprozesse wird für die Analyse eine Methode benötigt, die sowohl qualitative als auch quantitative Daten über die beteiligten chemischen Spezies liefert, wie die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS). Da diffusive Prozesse eine Schlüsselrolle in Festkörperreaktionen einnehmen, wird eine tiefenaufgelöste Analytik benötigt. Zu diesem Zweck wird in dieser Arbeit die energievariierte XPS (ERXPS) mit der variablen Photonenenergie am Synchrotron zu einer quantitativen, tiefenaufgelösten Methode weiterentwickelt.
Für die quantitative Analyse wird ein Modell zur Berechnung der tiefenaufgelösten Zusammensetzung unter Berücksichtigung der entsprechenden mittleren freien Weglängen der Photoelektronen, die selbst von der Zusammensetzung abhängen, unter Verwendung numerischer Methoden entwickelt. Als Eingangsparameter dienen die XPS-Daten unter Berücksichtigung aller Parameter, die die Intensität beeinflussen.
Dieses quantitative Modell wird für die Beschreibung der Wechselwirkung energetischer Sauerstoffionen mit der Berylliumwolframlegierung Be2W verwendet. Die Bildung von Be2W ist in ITER an der ersten Wand und im Bereich des Divertors zu erwarten. Die Bestrahlung der Legierung führt zu einer Zersetzung der Legierung. Die Bildung von BeO findet gegenüber der Bildung von Wolframoxiden bevorzugt statt. Bei einer Temperatur von 600 K findet die Reduktion der Wolframoxide statt. Metallisches Be fungiert hier als Reduktionsmittel. O-Diffusion wird der Diffusion von BeO zugeschrieben. Die energievariierte XPS erlaubt in Kombination mit dem neu entwickelten Modell detaillierte Untersuchungen von Multikomponentensystemen unter Berücksichtigung der Tiefenverteilung.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Fusion
1.3 Wandmaterialien
1.4 Röntgenphotoelektronenspektroskopie
1.5 Zielsetzung dieser Arbeit
2 Theoretische Grundlagen der Photoelektronenspektroskopie
2.1 Der photoelektrische Effekt
2.2 Die verschiedenen Photoelektronenspektroskopien und die Augerelektronenspektroskopie
2.3 Das Spektrum
2.3.1 Nomenklatur der Augerelektronen
2.3.2 Nomenklatur der Photoelektronen
2.3.3 Dublettaufspaltung
2.3.4 Energieverlust durch Plasmonenanregung
2.3.5 Reorganisation der Valenzelektronen (Shake-Up und Shake-Off)
2.4 Signalintensität
2.5 Die inelastische mittlere freie Weglänge
2.5.1 Berechnung der IMFP nach Seah & Dench
2.5.2 Berechnung der IMFP nach Gries
2.6 Tiefenauflösung und XPS
2.6.1 Winkelaufgelöste XPS
2.6.2 Energievariierte XPS
2.6.3 Vergleich der beiden Methoden
2.6.4 Tiefenprofilierung mittels XPS
2.7 Berechnung der Schichtdicke mit der Overlayer-Methode
3 Methoden
3.1 Kalibrierung der Energieachse
3.2 Standardvorgehensweise für die Normierung der Spektren
3.2.1 Der Photoionisationswirkungsquerschnitt
3.2.2 Der winkelabhängige Asymmetrieparameter
3.2.3 Der Photonenfluss
3.2.4 Analysatortransmission und Detektoreffizienz
3.2.5 Integral über die exponentiell tiefengewichtete Partikeldichte
3.2.6 Normierung und Beispiel
3.3 Fehlerdiskussion der Standardnormierungsprozedur
3.3.1 Vergleich der Kurvenverläufe der theoretisch berechneten und experimentell bestimmten exponentiell tiefengewichteten Flächendichten
3.3.2 Diskussion der Fehlerquellen
3.3.3 Monte-Carlo-Analyse
3.4 Zusätzliche Normierungsprozedur
3.5 Modell für die Auswertung von ERXPS-Experimenten
3.5.1 Herleitung des Modells
3.5.2 Test des Modells
3.6 Chemische Reaktionsanalyse
4 Experimenteller Aufbau
4.1 Die experimentelle Endstation SurICat
4.2 Präparationskammer LAICA
5 Experimente
5.1 Referenzmessungen
5.1.1 Beryllium
5.1.2 Graphit
5.1.3 Wolfram mit Oberflächenoxid
5.2 Wechselwirkung von Sauerstoffionen mit der Berylliumwolframlegierung Be2W
5.2.1 Experimenteller Ablauf
5.2.2 Qualitative (chemische) Auswertung der Spektren für die einzelnen Experimentschritte
5.2.3 Quantitative Auswertung der einzelnen Experimentschritte
5.2.4 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse
5.3 Kohlenstoff auf Berylliumoxid auf Wolfram C/BeO/W
5.3.1 Experimentführung
5.3.2 Qualitative tiefenabhängige Analyse
5.3.3 Zusammenfassung des Experiments C/BeO/W
6 Gesamtdiskussion
A Formeln
A.1 Gammafunktion
A.2 Standardabweichung
B Physikalische Eigenschaften und Parameter
C Publikationen
C.1 Artikel
C.2 Präsentationen
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit verfolgt das Ziel, die Methode der energievariierten Röntgenphotoelektronenspektroskopie (ERXPS) als tiefenaufgelöstes Analyseinstrument für komplexe Multikomponentensysteme weiterzuentwickeln. Dabei steht insbesondere die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Wandmaterialien eines Fusionsreaktors (Beryllium, Wolfram) und energetischen Plasmateilchen (Sauerstoff) auf einer Tiefenskala im Vordergrund, um chemische Reaktionen und Diffusionsprozesse quantitativ zu beschreiben.
- Weiterentwicklung quantitativer Modelle für die ERXPS-Datenanalyse.
- Untersuchung der Wechselwirkung energetischer Sauerstoffionen mit der Berylliumwolframlegierung Be2W.
- Analyse des Einflusses von Berylliumoxid-Zwischenschichten auf die Carbidbildung.
- Entwicklung experimenteller Prozeduren zur tiefenaufgelösten chemischen Spektroskopie am Synchrotron.
- Validierung der erarbeiteten Modelle durch numerische Tests und experimentelle Referenzmessungen.
Auszug aus dem Buch
3.5 Modell für die Auswertung von ERXPS-Experimenten
Im vorangegangenen Abschnitt wurde erläutert, wie aus XP-Spektren etF erhalten werden können. Wie bereits in Abschnitt 2.6.2 dargestellt, ist es möglich, durch Untersuchung der Probe mit unterschiedlichen Photonenenergien hν Zugang zu unterschiedlichen Informationstiefen zu erhalten. Im Folgenden wird erläutert, wie man aus den etF, die aus Spektren mit unterschiedlichen Photonenenergien durch die Normierung erhalten wurden, Tiefenprofile erhält. Die benötigten Formeln werden Schritt für Schritt hergeleitet. Anschließend wird die Implementierung dieser Formeln in das selbstgeschriebene Programm ERXPS Solver erklärt. Abschließend wird die Auswertung mit Hilfe des Modells anhand von verschieden Testsystemen auf seine Leistungsfähigkeit überprüft. Zusätzlich wird das Modell mit der klassischen Overlayer-Methode (s. Abschn. 2.7) verglichen.
Im Folgenden werden die zugrunde liegenden Gleichungen des Modells Schritt für Schritt hergeleitet. Um die einzelnen Schritte besser nachvollziehen zu können, sind in Abb. 3.13 Darstellungen der einzelnen Schritte gezeigt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung motiviert die Erforschung neuer Materialien für Fusionsreaktoren wie ITER und stellt die Bedeutung der tiefenaufgelösten Spektroskopie zur Untersuchung dieser Materialien dar.
2 Theoretische Grundlagen der Photoelektronenspektroskopie: Dieses Kapitel erläutert die physikalischen Prinzipien der Photoemissionsspektroskopie, einschließlich Signalintensität, inelastischer mittlerer freier Weglänge und verschiedener Ansätze zur Tiefenauflösung.
3 Methoden: Hier wird detailliert die Datenverarbeitung, die Kalibrierung der Energieachse sowie das neu entwickelte mathematische Modell zur quantitativen Auswertung von ERXPS-Experimenten hergeleitet.
4 Experimenteller Aufbau: Dieses Kapitel beschreibt die verwendete experimentelle Endstation SurICat am Synchrotron BESSY II sowie die entwickelte Präparationskammer LAICA.
5 Experimente: Die experimentellen Ergebnisse zur Wechselwirkung von Sauerstoffionen mit Berylliumwolframlegierungen sowie Untersuchungen zur Carbidbildung bei Anwesenheit von Berylliumoxid werden hier detailliert präsentiert und diskutiert.
6 Gesamtdiskussion: Die Ergebnisse werden zusammengefasst und das neu entwickelte Auswertungsmodell kritisch bewertet.
Schlüsselwörter
Photoelektronenspektroskopie, ERXPS, Fusionsforschung, ITER, Beryllium, Wolfram, Be2W, Sauerstoffionen, Tiefenprofilierung, Inelastische mittlere freie Weglänge, IMFP, Chemische Reaktionsanalyse, Oberflächenchemie, Synchrotronstrahlung, Materialforschung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Dissertation?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Anwendung einer tiefenaufgelösten Analysemethode, der energievariierten Photoelektronenspektroskopie (ERXPS), zur Untersuchung komplexer Oberflächenprozesse in Fusionsreaktormaterialien.
Welche Materialien werden primär untersucht?
Im Zentrum der Untersuchung stehen die für die erste Wand von Fusionsreaktoren wie ITER vorgesehenen Materialien Beryllium, Wolfram und deren Verbindungen, insbesondere die Legierung Be2W.
Was ist das primäre Forschungsziel?
Ziel ist es, ein quantitatives Modell zu entwickeln und experimentell zu validieren, das es erlaubt, aus Spektren mit unterschiedlichen Photonenenergien detaillierte chemische Tiefenprofile von Multikomponentensystemen bis hin zur Ebene einzelner atomarer Schichten zu berechnen.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewandt?
Neben der experimentellen Röntgenspektroskopie am Synchrotron (ERXPS) kommen mathematische Modellierungen, Monte-Carlo-Simulationen zur Fehleranalyse sowie numerische Optimierungsverfahren zum Einsatz.
Was beinhaltet der Hauptteil der Arbeit?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Herleitung eines Auswertungsmodells, die Beschreibung des experimentellen Aufbaus sowie die praktische Durchführung von Implantations- und Heizexperimenten an Beryllium-Wolfram-Systemen.
Welche Keywords charakterisieren die Arbeit?
Die zentralen Schlagworte umfassen ERXPS, Fusionsforschung, Beryllium-Wolfram-Legierungen, Tiefenauflösung und chemische Reaktionsanalyse in komplexen Stoffsystemen.
Warum spielt die Bestimmung der IMFP eine wichtige Rolle?
Die inelastische mittlere freie Weglänge (IMFP) ist entscheidend für das Verständnis des exponentiellen Signalabfalls; eine präzise Kenntnis ermöglicht erst die korrekte Zuordnung chemischer Signale zur jeweiligen Probentiefe.
Wie wirkt sich die Bestrahlung mit Sauerstoffionen auf die Legierung Be2W aus?
Die Experimente zeigen eine Zersetzung der Be2W-Legierung durch Oxidation des Berylliums zu Berylliumoxid (BeO), wobei dieses Oxid bevorzugt gebildet wird und sich an der Oberfläche anreichert.
- Arbeit zitieren
- Dr. Martin Köppen (Autor:in), 2013, Energievariierte Photoemissionsstudien an berylliumhaltigen Oberflächen für die Fusion, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1280560
