线性等离子体器件中钨能级溅射谱学研究

钨(W)有望成为未来核聚变反应堆的等离子体面材料。光谱学是测量等离子体中粒子通量的重要手段。对于测量的中性W线(W I)强度的解释，在五倍地项内J水平的总体分布⁵选项D。⁷年代_3.进入等离子体的钨溅射水平仍然是一个悬而未决的问题。因此，在线性等离子体器件PSI-2中将W目标暴露于等离子体中，并对材料的溅射进行光谱研究。目标与线的最大强度位置之间的空间距离提供了有关时间级演化的信息。这种相关性被用来研究溅射钨的原子水平分布。

实验装置

实验在线性等离子体装置PSI-2[2]中进行。示意图设置如图1所示。

图1:带光学观测系统的线性等离子体器件PSI-2。

阿克顿光谱仪SpectraPro 750与牛顿EMCCD探测器DU971P-UVB用于PSI-2过程的光谱分析。由于旋转镜系统，狭缝可以水平定向，即与目标表面正交，以观察侵蚀物种随时间的发展。等离子体和暴露目标的图片如图2所示。

图2:W靶用侧面机械手暴露于氩等离子体。

使用额外的透镜系统将空间分辨率提高到每像素50µm。这导致沿轴20毫米的整体空间光谱观测。在温度为T时，将W靶暴露于氩等离子体中_e≈2ev和n_e≈7 x10¹¹厘米³并观察了线强度的变化规律。等离子体离子通过偏压到目标上而加速到约80 eV的冲击能量。这些光谱是一阶的，因此牛顿EMCCD上的每像素色散约为0.016 nm。因此，一张图可以检测到大约25 nm的光谱宽度。相机的动态范围允许观察所有调查线曝光时间为10秒，使用传统的CCD模式。

分析与结果

激发能级的寿命等于倒数爱因斯坦系数(A)。溅射粒子的平均速度(v_的意思是)， 80ev的氩气冲击能量约为2500m /s[3]。假设溅射原子的角度分布为[4]，到目标的最大强度的距离为d≈v_的意思是/ (2 a)。图3显示了两条W I线的空间发展。

图3:5D0线与7S3线的空间行为对比。虚线表示发射最大值的期望点。下图为光谱仪记录的零阶开缝目标。

可以看到，到地能级的过渡(498.26 nm)与预期值很好地吻合，而最受欢迎的钨线(400.88 nm)则以略高的能量结束⁷年代_3.水平，在更大的距离上达到最大强度，因此比预期的要晚。将其他到基态的跃迁与图4中计算的最大强度位置进行比较。

图4:在平均速度为2500 m/s的情况下，研究过渡较低水平的最大发射探测位置与理论值进行了比较。

只有到地面的线符合理论，其他所有线在距离目标的距离比预期的更大的地方达到最大值。因此，数据表明，在目标偏压设定的100-200 eV的单能离子能量范围内，所有原子主要在最低地能级溅射⁵D₀．其他水平随后在血浆中填充。

参考文献

[1] Beigman等。等离子体物理控制。融合49， 1833 (2007)

[2] A. Kreter等。融合科学与技术68， 8-14 (2015)

[3] W.埃克斯坦知识产权报告(2002)

[4] M. Stepanova等。真空科学与技术杂志A:真空，表面和薄膜19， 2805 (2001)

联系

sebastian Brezinsek博士
能源与气候研究所
等离子体物理
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