Școala Doctorală de Fizică [307064]

Universitatea din București

Facultatea de Fizică

Școala Doctorală de Fizică

Mihail LUNGU

______________________________________________________________________

TEHNICI ȘI DISPOZITIVE PENTRU ANALIZA SUPRAFEȚEI

EXPUSE LA PLASMA DE FUZIUNE

______________________________________________________________________

Raport de cercetare semestrul I, anul II

Conducător științific

Prof. CS I. Dr. Gheorghe DINESCU

București, 2016

[anonimizat] X

1.1 Validarea rezoluție spațiale a lentilei policapilare . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2 Simulări bazate pe algoritmi Monte Carlo. . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Caracterizarea complexă a probelor depuse în laborator și neexpuse la plasma de fuziune

Investigarea concentrației de W prin µ-XRF pe probe de Be, C, W / Si . . . . . 11

Analiza de straturi subtiri expuse la plasma de fuziune și iradiate în reactoarele de tip Tokamak

Analiză prin µ-XRF asupra probelor expuse la plasma din JET . . . . . . . . 19

Concluzii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Referințe

Anexe

Introducere

Interesul în energia de fuziune este în creștere având ca principal obiectiv producerea energiei curate a viitorului. Răspunsul se află în reactoarele de tip Tokamak care funcționează pe principiul confinării plasmei sub acțiunea unui câmp electromagnetic [8]. Principala problemă este cauzată de eroziunea pereților din imediata vecinătate a plasmei. Acest fapt necesită studiul în detaliu a [anonimizat] a determinat folosirea markerilor de eroziune reprezentați prin plăci de Be pur acoperite cu aliaje de Ni respectiv Be sau W pur acoperit cu aliaje de Mo și W.

În raportul de față s-a urmărit prezentarea metodei de investigare µXRF cât și validarea rezoluției spațiale de analiză a acesteia determinate prin folosirea lentilei policapilare. Simulări Monte Carlo au dus la investigarea semnalului de fluorescență pentru W, [anonimizat]. S-au realizat investigări aduse asupra probelor atât neexpuse cât și expuse la plasma de fuziune.

1. Micro-XRF (fluorescența de raze X la energii joase)

[anonimizat] [1, 2]. În acest sistem se pot realiza tomografii de raze X (XCT), transmisii de raze X (XRT) și analize prin fluorescență de raze X la energii înalte respectiv joase (μ-XRF / HEXRF).

Acronimul ‚micro’ din metoda XRF provine de la rezoluția spațială de ordinul micronilor determinată prin folosirea unei componente optice concentratoare de raze X. În urma combinării unei surse de raze X de energie joasă (<45keV) și o [anonimizat] o pata focala in jurul valorii de 30 μm. De asemeni se urmareste validarea dimensiunii petei focale in subcapitolul urmator.

Datorită intensității mărite a radiațiilor X, se pot investiga straturi cu grosimi mici care prin metodele tradiționale de XRF era greu de realizat. Prin μ-XRF în mod particular se pot măsura straturi cu grosimi de material incepand cu 10nm pentru diferite elemente. Pragul de saturare a semnalului de fluorescenta depinde de mai multi parametrii precum emisivitatea liniilor energetice investigate respectiv energia de pompaj.

Fig.1.1 Componentele principale intr-o configuratie experimentala μ-XRF

Dispozitivul experimental al metodei μ-XRF prezentat în fig.1.1 este alcătuit din urmatoarele componente cheie: (A) Sursa de raze X de energii joase (U≤50kV, I≤800µA); (B) Detector de raze X (Si-Pin) amplasat sub un unghi de 30o; (C) Platformă mobilă micrometrică pe 3 axe (XYZ); (D) Proba investigată; (E) Concentrator optic reprezentat printr-o lentilă de tip policapilară;

Sursa de raze X confecționată de către compania Oxford Instruments conține un tub de raze X cu un material țintă (anod) confecționat din Mo respectiv W. Distanța minimă dintre anodul din sursă și lentila policapilară este de >40mm. Distanța de focalizare a petei focale de la ieșirea din lentilă până la proba investigată se află la valori de peste 10mm.

Pentru marcarea suprafeței pe care are loc focalizarea petei colimate prin lentila concentratoare, s-a folosit ca reper punctul de intersecție a doua fascicole laser. Punctul de intersecție a fost determinat anterior prin 2 metode complementare. Prima metodă a constat în analiza unui fir subțire de Cu amplasat în centrul unei probe din rășina sintetică (bachelită), astfel încât spectrele de intensitate crescută să marcheze punctul de localizare a petei focale pe suprafața plană XY. A doua tehnică a constat în folosirea unei camere CCD și a unei probe din substanța luminiscentă sub acțiunea radiațiilor (ZnF2). Prin înregistrarea imaginilor a fost determinată atât zona de focalizare XY cât și adâncimea Z la care are loc focalizarea.

1.1 Validarea rezoluției spațiale a lentilei policapilare

Pe cale experimentală s-a determinat atât zona de focalizare a petei focale cât și validarea rezoluției spațiale determinate prin folosirea lentilei policapilare ca parte integrată a sistemului concentrator de fascicole de raze X. Din specificațiile producătorului lentila policapilară produsă de IFG-Germany are dimensiunea petei focale de 30µm. Înainte de pornirea investigării rezoluției s-a verificat cu ajutorul unui detector de tip ‚flat panel’ (Shad-o-Box) alinierea lentilei policapilare la fereastra de Be a sursei energetice (Fig.1.2). Pentru obținerea unei alinieri corecte s-a urmărit captarea de către detector a unei figuri geometrice de tip hexagon, iar pe cât posibil în centrul acesteia formându-se pata focală de intensitate mărita sub formă de cerc.

Fig.1.2 Radiografia fascicolului colimat prin lentila policapilară in aliniere optimă

Pentru studiul rezoluției spațiale au fost investigate un număr de rețele de Cu respectiv Pb (PTW-FREIBURG), folosite uzual în metoda microscopiei de transmisie cu electroni (TEM).

Au fost înlăturate foitele de Sn amplasate între fereastra de Be a sursei de excitare cu anod de Mo și intrarea lentilei policapilare cu scopul realizării unei radiații monoenergetice. Acest fapt a determinat un spectru energetic mult mai intens rezultând o scurtare a timpului de integrare necesar analizei pe fiecare punct.

Parametrii primari în efectuarea măsurătorilor asupra rețelelor de Cu respectiv Pb au fost: tensiunea de 45kV, curentul de 700µA, timp de integrare de 20sec/pct respectiv pasul constant de analiza de 10µm.

Rețeaua de Cu prezintă perechi de fire cu grosimea de 50µm respectiv cu o distanță de 250µm între acestea. Rețelele investigate din Pb au dimensiunile de 50µm (10 perechi-linii/mm) respectiv 25µm (20 perechi-linii/mm) cu distanța dintre acestea egală cu grosimea lor.

Prin rezultatele obținute în urma integrării ariilor de vârfuri de intensitate corespunzătoare liniilor energetice de Cu Kα,β respectiv Pb Lα,β , a fost validata rezoluția spațială a lentilei policapilare.

Fig.1.3 Rezultate µ-XRF pentru retea din Cu (100 / 250 µm)

În urma analizei punct cu punct a rețelei din Cu (pas de 10µm) s-a putut valida rezoluția spațială a lentilei concentratoare la valori de sub 50 µm (Fig.1.3). Distanțele dintre vârfurile de intensitate sunt bine delimitate și în cazul investigării rețelei din Pb de 50 µm (Fig.1.4).

Fig.1.4 Rezultate µ-XRF pentru rețea din Pb (50)

Limitări în determinarea distanței dintre 2 perechi de linii consecutive apar la investigarea rețelei de Pb cu 20 de perechi de linii per mm respectiv cu distanța dintre linii de doar 25 µm (Fig.1.5). Totuși se pot distinge vârfurile de intensitate crescuta asociate liniilor de Pb pe întreaga distanță investigată cu o repetabilitate de 30µm.

Fig.1.5 Rezultate µ-XRF pentru retea din Pb (25)

Cu ajutorul rețelelor de Cu respectiv Pb s-a validat rezoluția spațială determinată prin componenta concentratoare integrată a sistemului de măsură. Datorită faptului că rețeaua de Pb (25µm) a fost investigată cu o rezoluție mai slabă respectiv de 30 µm, puntele de maxim au fost la limita deosebirii dintre acestea. Astfel se poate stabili faptul că lentila policapilara are rezoluția spațială specificată de către producător și anume de 30m.

1.2 Simulări bazate algoritmi Monte Carlo

Metoda Monte Carlo are la bază algoritmi computaționali bazati pe repetări aleatorii a unor rezultate numerice în vederea obținerii distribuției unei entități probabilistice necunoscute.

Programul ce are la bază metoda Monte Carlo, aplicat în studiul problemelor de transport al radiaților de electroni respectiv de fotoni se numește „ITS Version 3.0 The Integrated Tiger Serios Of Coupled Electron and Photon”. Scopul acestuia este de maximizare a simplității operaționale și a acurateții din punct de vedere fenomenologic. Fenomenul fizic este riguros maximizat aplicând cele mai bune secțiuni eficace, distribuții etalon și modele fizice complete pentru descrierea producției și a transportului “în cascadă” de electroni / fotoni pentru un interval energetic de la 1.0 GeV până la 1.0 keV.

Codurile de bază ale acestui program sunt direct legate de geometria problemei studiate. Codul “Tiger” unidimensional este favorabil studiului probelor multistrat ce sunt de interes pentru validarea metodelor bazate pe fluorescența de raze X. Celelalte coduri existente, anume “Cyltran” și “Accept” au capabilități de modelare tridimensională, fiind necesară definirea geometriei in spatiu tridimensional.

Modelarea fenomenului de fluorescență presupune cunoașterea parametrilor de intrare, a geometriei unidimensionale care sa reflecte experimentul in sine și a folosirii codului unidimensional “Tiger”. Înaintea rularii codului Monte Carlo este necesară folosirea codului XGEN capabil să selecteze dintr-o bază de date, la energiile specificate, secțiunile eficace ale materialelor de interes.

Parametrii de intrare a fișierului sursă XGEN.INP sunt: elementele din care este realizat multistratul ce se doreste a fi caracterizat cât și energia generata de sursa de raze X. Codul TIGER.INP are ca parametri de intrare, geometria instalației, grosimile materialelor folosite, distribuția unghiulară a transmisiei / a reflexiei de electroni / de fotoni cât și numărul de iterații respectiv secvențe de rulare.

Folosind baza de date generată XGEN.OUT / XGEN.LIB cat și parametrii de intrare specifici TIGER.INP, se rulează algoritmul Monte Carlo.

Parametrii de ieșire în urma rulării programului ITS3.0 sunt reprezentati prin energiile spectrului și distribuția unghiulară a fotonilor transmiși prezenti în codul fișierului de ieșire denumit TIGER.OUT. Unghiul de interes la care este simulat fenomenul de fluorescenta are valoarea de 45o, unghi la care se află amplasat detectorul fata de sursa de radiație impreuna cu abaterea de ± 20o.

Rezultatele finale sunt exprimate sub formă de curbe de calibrare ce fac corelarea dintre valoarea fotonilor numărați de către detector și grosimea materialului / concentrația atomică de masa. Pentru simplificarea conversiei dintre concentrația de masă atomică și grosimea stratului de material depus s-a presupus că toate elementele investigate în probe au densitatea proprie de material. Practic se doreste simularea raspunsurilor materialelor la surse de energii mici (µ-XRF) cat si cele de energii mari (HEXRF).

Pe lângă calculele numerice s-a propus și realizarea calibrărilor metodelor de investigare prin folosirea unor probe etalon cu grosimi cunoscute. Metoda Arcului Termoionic în Vid (TVA) este folosită în obținerea depunerilor de straturi subțiri. Acestea la rândul lor sunt folosite în simularea eroziunii și a redepunerii straturilor relevante din interiorul instalațiilor de fuziune din pereții cu expunere directă la plasmă.

Monitorizarea grosimii depuse pe straturile subțiri prin metoda TVA s-a efectuat cu ajutorul monitorului prin microbalanța cu cristal de cuarț (QCM). După depunerea probelor etalon se aplică analiza suprafeței acestora prin metode bazate pe XRF și se determină astfel curbele de calibrare ce fac legătura dintre numărările de fotoni respectiv grosimile / concentrațiile de masă atomică.

S-au realizat investigări ale probelor calilbrate (QCM) depuse cu W de diferite grosimi pe substrat de Si prin metoda TVA. Straturi de grosimi mari de W (>10µm) sunt dificil de obținut prin metoda TVA și din acest motiv se urmărește cu interes simularea răspunsului semnalului de fluorescență peste acest prag.

De menționat faptul că s-a simulat spectru energetic continuu folosit în realizarea fenomenului de fluorescență. Prin programul ITS3.0 a fost posibilă simularea interacției dintre electronii incidenți aflați la o valoare impusă în keV și materialul ținta de o grosime cunoscută. În urma interacției electronilor cu materialul țintă, sunt produși fotoni al căror spectru energetic modelat este folosit ulterior în simularea răspunsului de fluorescență dintre acesta și materialul aflat pe proba de analizat.

În urma suprapunerii dintre curbele experimentale (µXRF) cu cele simulate (ITS3.0) în cazul răspunsului semnalului de fluorescență pentru un material precum W se pot face următoarele observații valabile ambelor situatii: pentru probele cu grosimi de până în pragul de 5~6µm avem o creștere liniară a valorilor ariilor integrate în funcție de grosimi. După pragul grosimii de ~6µm pentru o probă de W analizată avem un semnal săturat, ce prezintă o creștere lentă a valorilor integrare de arii corespunzătoare vârfurilor de linii energetice L (Fig.1.6).

Pentru evidențierea modificarilor similare ale intensităților de spectre pentru alte materiale pure precum Ni, in functie de grosimea acestora, s-a realizat un studiu adițional pe probe depuse cu Ni pe diferite substraturi precum C, Si respectiv sticlă. Curba de calibrare experimentala a fost realizată in urma investigarii probelor depuse prin metoda TVA cu straturi de 5, 50, 500 nm pe substrat de C, 5, 50, 500, 2300, 2500, 2600 nm pe Si respectiv 1820, 2000 nm pe substrat de sticlă.

Fig.1.6 Suprapunerea curbei experimentale cu cea simulata ITS3.0 pentru W/Si determinate pentru cazul folosirii unei surse de excitare cu anod de Mo

Tendinta cvasiliniara a semnalului de fluorescenta aparuta in investigarea probelor de grosimi mici de W poate fi observata și in cazul depunerilor de Ni (Fig.1.7).

Din cauza faptului că s-au investigat experimental straturi subtiri de Ni de până în 2.6 µm, nu s-a putut observa saturarea intensităților de semnal. Pragul de saturare a semnalului in cazul depunerilor de Ni poate fi observat in simularile realizate prin ITS3.0, acesta stituandu-se in jurul valorii de 20µm.

Fig.1.7 Suprapunerea curbei experimentale cu cea simulate prin ITS3.0 pentru Ni cu diferite substraturi folosindu-se o sursa de excitare cu anod de Mo

S-au realizat simulari ale raspunsurilor semnalor de fluorescenta pentru materiale de interes precum Mo, Ni, W aflate pe substrat de Si (1µm). In parametrii ecuatiei de simulare au fost introduse surse cu energii de valori diferite, cu spectru monoenergetice sau continuu, avand ca tinta materiale Cu respectiv Mo folosite in mod uzual in cadrul experimentelor din laborator.

S-a urmarit raspunsul semnalului de fluorescenta simulat prin programul ITS3.0 si in cazul folosirii unor surse de energii mari prezente in metoda HEXRF. In majoritatea cazurilor, tintele folosite pentru sursa de energii inalte sunt confectionate din elemente precum metale Cu, W respectiv minereale (diamant). De asemenea este posibila modificarea energiilor electronilor accelerati prin sursa iar diferentele ce apar nu afecteaza pragul de saturare de semnal. In fig.1.8 se poate observa ca pragul de saturare a semnalului nu difera indiferent de valoarea energiei folosite cat si daca aceasta este monoenergetica, spectru discret sau sub forma de spectru continuu.

Fig.1.8 Simularea la diferite valori ale surselor energetice pentru W

Adițional a fost simulat răspunsul semnalelor de fluorescență în cazul depunerilor de Mo, atât prin utilizarea unor surse de energii joase (8,4keV / tinta W) pentru investigarea liniilor puternic emisive L cât și înalte (90keV) pentru liniile K. Se poate observa în cazul liniilor L ale Mo, că pragul de saturare a semnalului se afla în jurul valorii de 1µm (Fig.1.9).

Fig. Curbe simulate ITS3.0 pentru liniile energetice L ale Mo pe substrat de Si determinate pentru cazul folosirii unei surse de excitare cu anod de W

In cazul liniilor K ale Mo, pragul de saturare apare la peste 25µm (fig.1.10).

Fig.1.10 Curbe simulate ITS3.0 pentru liniile energetice K ale Mo pe substrat de Si determinate pentru cazul folosirii unei surse de excitare cu anod de Cu

2 Caracterizarea complexă a probelor din materiale de fuziune produse în laborator și neexpuse la plasmă de fuziune

Se vor investiga în următoarea perioadă depuneri din materiale de interes pentru pereții reactoarelor de fuziune atât în geometrie fixă cât și în geometrie rotită, acestea fiind similare celor existente în JET-ILW. Avantajul acestor depuneri este reprezentat prin faptul că n-au fost expuse la plasma de fuziune si nu prezintă modificari structurate datorate fenomene fizice de interacție de tip plasmă-perete.

Depunerile folosind metoda TVA cu materiale precum Be, W pe substrat de C, reprezintă componentă primară a barierei dintre plasma și pereții din imediata vecinătate, aceasta fiind folosită în prezent în JET-ILW și pe viitor în reactorul ITER.

În prepararea acestora se va ține cont de rezultatele anterioare privind parametrii optimi în obținerea unei distribuții uniforme a depunerii precum înălțimea anodului materialului față de suportul substraturilor probelor respectiv montarea anodului astfel încât proiecția sa fie una in zona periferică a suportului de probe.

După depunerea probelor se va aplica analiza complexă prin diferite tehnici de preferat ne invazive, ulterior urmând ca rezultatele să fie comparate cu cele anterior obținute în urma investigării probelor expuse la plasma de fuziune (JET).

Investigarea concentratiei de W prin µ-XRF pe probe de Be, C, W pe Si (TVA)

Măsurători prin µ-XRF au fost realizate pe probe depuse prin metoda TVA cu Be, C respectiv W pe substrat de Si cu dimensiuni 10*10 mm atât în configurație de geometrie fixă respectiv rotită. Probele au fost realizate în laboratorul de plasmă la temperatură joasă (INFLPR).

Probele depuse prin metoda TVA în configurație de geometrie rotită au fost marcate prin fundalul albastru (fig.2.1) cât și poziția anozilor de Be, C respectiv W printr-un fundal gri. Restul probelor indexate inclusiv surorile probelor rotite sunt depuse in configuratie de geometrie fixă. De menționat faptul că distanța între 2 probe consecutive este mentinută constant la valoarea de 20 mm. Proba marcată cu roșu (index 8.8) reprezintă centrul suportului de probe. Toate probele indexate au fost măsurate intr-un singur punct centrat pe suprafata substratului pentru a se evita analiza zonelor afectate prin efectul de umbrire ce apare in timpul depunerilor. Probele marcate cu verde au fost masurate aditional prin tehnica de retroimprastiere Rutherford (RBS).

Detecția concentrației elementelor cu numărul atomic mic precum Be și C este dificil de realizat din mai multe cauze. Fotonii generați prin efectul de fluorescentă sunt într-un procent ridicat atenuați în aerul din incintă aflat intre proba si detector. De asemeni semnalul de fluorescență a wolframului (8.39, 9.67 keV) ridică semnalul de fundal peste nivelul semnalelor posibile determinate prin prezența elementelor cu Z mic.

Pentru realizarea unei investigatii cantitative și în același timp non invazive asupra probelor depuse prin metoda TVA cu o aplicatibilitate crescută in domeniul fuziunii, a fost aplicată metoda µ-XRF.

Metoda de investigare µ-XRF este o metodă bazată pe energii mici (17.5 keV) folosind o sursă de excitare cu țintă (anod) de Mo. Sursa de excitare integrează în ansamblul său experimental o componentă optică de raze X numită lentilă policapilară (Fig.2.2) ce determină o pată focală pe suprafața probei într-un interval de zeci de microni.

Fig.2.1 Distributie probe (Be-C-W) depuse in configuratie fixă/rotită

Aplicând ca parametrii de lucru principali, valori ale tensiunii de 45 kV și curenți de 700 uA, s-a masurat fiecare probă intr-un punct centrat pe suprafata substratului. Astfel au fost realizate măsurători cu un timp de integrare fixat de 40 secunde pentru un număr total de 62 de probe depuse în geometrie fixă respectiv 5 probe depuse în geometrie rotită.

Fig.2.2 Configuratia experimentală a metodei µ-XRF

Pentru determinarea unor rezultate cantitative cât mai precise, un număr de probe cu grosimi cunoscute au fost investigate în aceleași condiții de lucru. Măsurători asupra probelor etalon depuse cu W și cu o grosime determinată într-un interval de 10 – 400 nm pe Si au permis conversia între aria integrată asupra spectrelor înregistrate experimental (Fig.2.3) de către detector și grosimea stratului depus. Probele etalon au fost depuse in aceeasi campanie cu cele de Be, C, W in geometrie fixă prin metoda TVA și calibrate folosindu-se tehnica microbalanței din cristal cu cuarț (QCM).

Fig.2.3 Spectrul analizat prin evidentierea varfurilor de interes (WLα, Lβ), a intervalului integrat si a nivelului de fundal

Curba de calibrare rezultată în urma măsurătorii probelor etalon poate fi integrată printr-o interpolare liniară descrisă prin ecuația:

;

unde b=110,4 respectiv a=492,8;

Conversia de la grosime de strat (nm) la concentrația atomică (at/cm2) s-a realizat avându-se la baza formula:

unde = numărul lui Avogadro (6.022*1023), densitatea materialului (19.3 g/cm3), T este grosimea (cm) respectiv M masa molară (183.85 g/mol);

Rezultatele măsurătorilor -XRF privind probele de aliaj mixt din Be, C, W codepuse prin metoda TVA în geometrie rotită si exprimate în grosimi (nm) respectiv în concentrații atomice de masă (atom/cm2) sunt evidențiate în Fig.2.4.

Fig. 2.4 Variația exprimată in nm respectiv at/cm2 de W pentru probele Be, C, W (geometrie rotită) în funcție de poziția probelor față de centrul fix al suportului de probe

Rezultatele măsurătorilor privind probele din aliaj mixt din Be, C, W codepuse prin metoda TVA in geometrie fixa si exprimate în grosimi (nm) respectiv în concentrații atomice de masă (at/cm2) sunt evidențiate în Fig.2.5,6.

Fig.2.5 Distribuția spațială de W exprimată în grosimi (nm) de strat pentru probele de Be-C-W depuse prin metoda TVA în geometrie fixă

Fig.2.6 Distribuția spațială de W exprimată în concentrații atomice de masă (atomi/cm2) pe probe de Be-C-W depuse prin metoda TVA în geometrie fixă (marcare puncte măsurători cu evidentierea sensului de masure)

Rezultatele măsurătorilor pentru probele depuse în geometrie fixă sunt exprimate în grafice (Fig.2.7.a,b,c,d) dependente de pozițiile proiecțiilor anozilor de Be, C, W in perechi pe suportul probelor, marcate prin puncte de culori diferite impreună cu sensul masurătorilor efectuate (Fig.2.6).

Straturile de aliaj mixt de Be-C-W ce au fost depuse pe substrat de Si prin metoda TVA si masurate prin µ-XRF au fost supuse aditional investigării prin spectrometria de retroimprastiere Rutherford (RBS). Pentru realizarea acestor măsurători a fost folosită instalația 3MV Tandem Accelerator ce se află la IFIN-HH.

Măsurătorile prin RBS sunt foarte utile în obținerea informațiilor cantitative referitoare la compoziție cât și a profilului în adâncime a elementelor.

Probele măsurate au fost montate pe un goniometru în 3 axe cu rezoluția de 0.01o. S-au folosit fante pentru limitarea divergentei fascicolului la un minim. Detectorul de Si în stare solidă cu o rezoluție energetică de 20 keV pentru He a fost poziționat la un unghi de θ=165o față de fascicolul de ioni. Probele au fost înclinate cu un unghi de 7o față de fascicolul de ioni.

Pentru determinarea distribuției impurităților și a densității elementelor pe arie s-a folosit un fascicol de dimensiuni 0.5 mm2 cu ioni monoenergetici de He (3 MeV).

Este important de menționat faptul că pentru această măsurătoare n-au fost necesare probe etalon excluzand calibrarea energetică. Informațiile referitoare la speciile atomice, densitatea pe arie, profilul elementar în adâncime respectiv grosimea de strat au fost obținute prin suprapunerea spectrelor experimentale cu cele simulate (Fig.2.8). Acesta a fost posibilă prin folosirea programului SIMRA dezvoltat de Matej Mayer.

Sarcina finală acumulată pe suprafată a fost de 10µC ce se află sub pragul de formare a nucleilor compusi 13Be. Acesti izotopi instabili cad către o regiune mai stabila 12Be cu eliberare de neutroni ce pot activa la randul lor elemente din interiorul camerei de reactie.

Datorită faptului că probele Be, C, W au fost depuse pe substrat de Si, semnalul RBS a siliciului se suprapune peste semnalele elementelor precum Be, C respectiv O (Fig.2.8), astfel fiind dificilă determinarea concentrațiilor acestora. În acest caz particular, precizia crescută în determinarea concentrației elementale rămâne valabilă doar pentru W.

S-au masurat probe prin RBS incepand de la proiectia anodului de W spre Be respectiv de la Be spre C (Fig.2.1). Rezultatele au fost suprapuse peste cele determinate prin XRF (Fig.2.9.a,b).

Între proiecțiile anozilor de W respectiv Be (Fig.2.9.a) tendința valorilor concentrației determinate prin RBS este de a oscila, caz observat si in masuratorile efectuate prin XRF. Pentru masuratorile RBS efectuate incepand cu proiectia anodului de Be către C, valorile înregistrate pentru W prezintă o descreștere continua (Fig.2.9.b). Incepând cu proba poziționată aproape de proiecția anodului de Be până la cea mai mică valoare înregistrată și anume in zona proiectiei anodului de C rezultatele RBS sunt in concordanta cu cele XRF.

Fig.2.10 Compararea rezultatelor dintre RBS si µ-XRF + erori (at/cm2)

Comparand rezultatele efectuate pe toate probele masurate prin XRF si RBS (Fig.2.10) putem observa faptul la valori ale concentratiei atomice mai mici, in zona anodului de Be-C exista concordante. In cazul probelor cu strat depus de grosimi mari din zona W-Be, apar diferente de 20% dintre rezultatele prelucrate.

3 Analiza probelor de material expuse la plasma de fuziune si iradiate în reactoarele de tip Tokamak

Studiul impactului plasmei de fuziune asupra probelor cu expunere directă din reactor se face în corelare cu procesele implicate. La interacția dintre pereții reactorului cu fluxurile de particule neutre și cele încărcate cu sarcină în plasmă, aflate sub influența câmpurilor magnetice, apar procese de suprafața cât și în adâncime. Astfel între plasma de fuziune și componentele din imediata vecinătate au loc diferite procese precum eroziunea chimică, pulverizare fizică, topire, sublimare, redepunere respectiv distrugeri locale (Fig.3.1).

Fig.3.1 Schema proceselor de interacție dintre plasmă și perete

Pulverizarea fizică constă în înlăturarea atomilor de la suprafața materialului ca rezultat al transferului de energie de la particulele incidente către atomii de pe suprafața. Acest fenomen apare în cazul oricărui material iar eficiența acesteia depinde de unghiul incident, energia proiectilului, masele ionilor și ale atomilor țină la suprafața pulverizată [3, 4] Pentru aproximarea pulverizații fizice se aplică modelul coliziunii binare, unde masele atomilor ce interacționează prezintă principalul factor. Unitatea energetică de transfer dintre atomul incident și suprafața materialului este descrisă prin:

(1)

unde reprezintă energia incidentă inițială, unghiul incident, iar și masele atomice ale particulelor. Pulverizarea fizică are loc doar în cazul în care depășește anumit prag ce depinde de energia de legătură inter atomică.

Prin pulverizarea chimică se face referire la reacția dintre țintă și speciile plasmei care duc la formarea produșilor volatili. Spre deosebire de pulverizarea fizică, aceasta este strict dependentă de temperatura suprafeței și de tipul materialului implicat. Dintre materialele enumerate ca fiind folosite cel mai uzual, C este cel mai vulnerabil față de eroziunea chimică. În urma bombardamentului cu izotopi de hidrogen ai pereților de C rezultă hidrocarburi ce sunt ulterior eliminate în interiorul plasmei. W este de asemeni chimic erodat la temperaturi mari în prezența impurităților de O conducând la formarea oxizilor volatili precum WO2 respectiv WO3.

Fenomenele de topire și sublimare apar sub condiții de temperaturi mari depășindu-se punctul de topire al materialului. Materialul topit poate migra spre plasmă sub formă de picături sau să recristalizeze producându-se modificări locale ale proprietăților materialului. Elementul C trece direct în stare gazoasă prin procesul de sublimare la temperaturi mari.

O dată intrate în plasmă, particulele erodate sunt într-un final redepuse pe peretele reactorului. Redepunerea poate fi în apropierea suprafeței inițial erodate sau la o distanță mare în lungul liniilor de câmp magnetic poroidal sau toloidal. Zonele redepuse iau parte de mai multe ori la rând la aceleași procese enumerate anterior de interacție dintre perete și plasmă. În final eroziunea netă reprezentată prin diferența dintre depunerea totala și eroziunea totala de material în aceeași arie este des întâlnită în zonele din divertor. Zona cu depuneri nete de cele mai mari grosimi au fost observate în zone umbrite fără contact cu plasmă [5, 6].

Fenomenele de redepunere pot schimba proprietățile fizice și chimice ale suprafețelor peretilor. Atomii și impuritățile din plasmă sunt co depuse împreună cu speciile erodate din perete formând noi aliaje de material cât și compuși chimici. Influența co depunerii este amplificată prin prezenta materialelor diferite în pereții reactorului ce ar putea duce la o creștere sau in caz favorabil la o posibila micșorare a retenției de combustibili nucleari. Combinația de materiale aleasă pentru ITER a fost studiată în cadrul campaniilor JET-ILW (Be-W-C) [7].

Analiză prin µ-XRF asupra probelor expuse la JET

Pentru o analiză cantitativă, calitativa respectiv ne invaziva s-au efectuat măsurători prin metoda µ-XRF asupra unui număr total de 8 probe expuse spre iradiere cu plasmă în reactorul JET (campania 2011-2012). Acestea ca și caracteristici prezintă suprafețe rectangulare de 10 * 10 mm cu substraturi de diferite grosimi.

Metoda aplicată folosește în cazul de față o sursă de energii joase (17.5 keV) cu o tintă de Mo. Sursa de raze X are amplasat în fața ferestrei de Be și a sistemul policapilar de concentrare a fascicolului de radiații, un număr de 2 foițe de Sn pentru a se realiza un semnal monoenergetic iar ca dezavantaj crește timpul de integrare necesar. Parametrii principali de lucru a sursei de radiații au fost de 45 kV respectiv 800 µA, iar timpul de integrare a fost de 240 sec/pct.

Calibrari energetice folosindu-se probe etalon din aliaj de W(5%), Fe (25%) pe substrat de Ti (70%) au fost realizate înaintea efectuării măsurătorilor pe probele de interes. Fig.3.2 arata spectrul fluorescentei captat marcandu-se liniile energetice de intensitate Kα,β pentru Ti, Fe respectiv liniile energetice pentru W.

Fig.3.2 Spectru măsurat prin µ-XRF respectiv configurație experimentală

Au fost realizate corecții de fond asupra spectrelor măsurate pe probele de interes. Au fost determinate pe suprafața probelor expuse la plasmă urme de Fe, Cr, Ni respectiv W în concentrații variabile (Fig.3.3).

Fig.3.3 Spectrele de fluorescență ale tuturor probelor expuse + zgomot de fond

În urma integrării vârfurilor de intensitate a liniilor caracteristice, în intervalul energetic de interes al elementelor de Fe, W, Cr respectiv Ni s-au observat diferente majore de semnal. Probele de pe zona centrat bombata a placii prezintă răspunsuri intense de semnal (Fig.3.4) pe cand cele din zonele de curbura prezinta caderi in intensitate de semnal. Spectrul măsurat fără proba evidențiază lipsa semnanelor de fundal pentru Fe, W, Cr respectiv Ni.

Fig.3.4 Rezultatele integrărilor de arii în funcție de distribuția spațială ale probelor pe placa din peretii reactorului. Spectrul de fundal inclus ca referință

Pentru determinarea unor rezultate cantitative, calibrări experimentale respectiv teoretice sunt necesare. Investigații amănunțite vor fi realizate folosind probe etalon si prin programe de simulare a concentrațiilor Monte Carlo.

În această configurație nu s-a putut studia elemente precum Mo dar și cele cu Z mic din cauza folosirii sursei cu anod de Mo. Pentru un filtraj a zgomotului din semnalul captat și produs prin împrăștiere, a fost amplasat un colimator din alamă în fata detectorului de raze X.

Concluzii

Principala problemă in functionarea reactoarelor de fuziune este cauzată de eroziunea pereților din imediata vecinătate a plasmei. Acest fapt necesită studiul în detaliu a proceselor ce au loc înăuntru camerei de reacție, ce a determinat folosirea markerilor de eroziune reprezentați prin plăci de Be pur acoperite cu aliaje de Ni respectiv Be sau W pur acoperit cu aliaje de Mo și W.

Metodele de fluorescență de raze X au fost implementate ca soluție în studiul depunerilor cu straturi funcționale implementate în domeniul fuziunii. Metodele bazate pe fluorescența de raze X, reprezintă o alternativa in analiza nedistructivă prin care se pot determina distribuții de compoziție și grosimi pe probe de diferite tipuri precum minerale, roci, metale pure și ajiale etc. Acestea sunt aplicate în realizarea maparilor de suprafață cât și în adâncime a probelor de interes, în studiul eroziunii perețiilor amplasați în imediata vecinătate a plasmei. S-a validat rezolutia spatiala de investigare a metodei micro-XRF ce utilizeaza lentila policapilara ca parte componenta a dispositivului experimental.

Pentru implementarea acestor metode în investigarea suprafețelor ce urmează sau au intrat deja în contact cu plasma de fuziune, a fost necesară calibrarea acestora cu ajutorul probelor etalon. Depuneri de grosimi cunoscute prin metoda TVA au fost realizate cu ajutorul martorilor de grosime pe bază de microbalanță cu cuarț (QCM). Ca alternativă a calibrării acestora prin probe etalon se utilizează simulari prin algoritmi de tip Monte Carlo urmarindu-se simularea distribuției transportului de fotoni sau electroni. De asemeni s-a urmarit si studiul efectelor de matrice aparute intre elementele aliajelor studiate. S-a studiat pragul curbei de saturare pentru Ni si W atat pentru un spectru energetic continuu cat si pentru cel discret.

S-a demonstrat faptul că materialul precum W prezintă gradul de eroziune cel mai mic la bombardamentul cu plasma de fuziune iar retenția combustibililor nucleari este mică rezultând un interes mare direcționat către studiul depunerii, redepunerii și al transportului acestuia.

În urma studiului făcut asupra probelor etalon prin metodele de analiză aferente a fost posibilă realizarea curbelor de calibrare pentru diferite materiale (exemplu W) ce fac conversia dintre numărul de fotoni determinat cu ajutorul detectorilor de raze X și grosimile de material depus în stare pură. De asemeni este posibilă conversia de la grosimi de material depus la concentrații de masă atomică pe suprafață.

S-a dovedit strânsa legătură dintre metodele de analiză și cele de depunere. Metoda TVA producând probe etalon, permite calibrarea metodelor de fluorescență de raze X. In cele din urmă metode, analizând straturile depuse prin metoda TVA, fac posibil studiul din punct de vedere al gradului de uniformitate al depunerii de straturi subțiri sub efectul plasmei TVA. Cu ajutorul formulelor teoretice s-au calculat tendințele gradului de uniformitate a depunerilor în geometrie fixă și rotiță iar ulterior acestea au fost comparate cu rezultatele analizelor prin fluorescența de raze X.

Folosindu-se metodă de investigare prin fluorescenta de raze X la energii joase (17.4 keV), bazându-se pe o sursă de excitație cu anod de Mo, s-a putut observa diferențe de concentrații ale elementelor studiate (Fe, Cr, W respectiv Ni) în probele expuse la plasma din JET în relație cu distribuția spațială ale acestora pe suprafata unei placi parti integrate a reactorului de fuziune JET.

Referințe

[1] I. Tiseanu, T. Craciunescu, A. Möslang Fusion Engineering and Design, 84, (2009) 1847-1851.

[2] I. Tiseanu, T. Craciunescu, B. Pegourier, H. Maier, C. Ruset, M. Mayer, C. Dobrea and A. Sima, Phys. Scr. T 145, 014073 (2011).

[3] R. Behrisch and W. Eckstein, Sputtering by Particle Bombardment. Springer, Berlin,2007.

[4] P. Sigmund, \Collision theory of displacement damage, ion ranges, and sputtering, "Revue Roumaine de Physique, vol. 17, no. 7, pp. 823{870, 1972.]

[5] M. Rubel, P. Wienhold, and D. Hildebrandt, \Fuel accumulation in co-deposited layers on plasma facing components," Journal of Nuclear Materials, vol. 290-{293, pp. 473{477, 2001.

[6] A. Kreter, M. J. Balden, R. P. Doerner, D. Nishijima, P. Petersson, A. Pospieszczyk, M. Rubel, and K. Umstadter, \Fuel retention in carbon materials under ITERrelevant mixed species plasma conditions," Physica Scripta, vol. T138, p. 014012, 2009.]

[7] Jeffrey P. Freidberg (2007). Plasma physics and fusion energy, Cambridge University Press, New York, p.73.

[8] D. J. MacKay, Sustainable Energy – Without the Hot Air. UIT Cambridge Ltd,2009.

[9] "Fission and Fusion". Newton.dep.anl.gov. 2000. Retrieved 2014-08-24.

Anexa

Articol trimis spre publicare in Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures

Characterisation of Fusion Related Composite Films Obtained

by TVA method

M. Lungu1,2, I. Tiseanu1, C. Porosnicu1*, C. Dobrea1, I. Jepu1, P. Dinca1, A. Marcu1, C. P. Lungu1

1National Institute for Lasers, Plasma and Radiation Physics, Magurele, 077125, Romania

2Faculty of Physics, University of Bucharest, Magurele, Romania

Coresponding author: corneliu.porosnicu@inflpr.ro

Using thermionic vacuum arc method fusion relevant mixed layers containing tungsten, nichel and iron in fixed and rotated deposition geometries were produced. X-ray micro-beam fluorescence method was used as non-invasive solution in order to quantify film composition on specific position on a disc holder of 320 mm in diameter. The geometrical dependence on a planar substrate using three independent evaporators was studied comparing 2D X-ray micro-beam fluorescence mapping results with theoretical deposition predictions. Also heat flux exposure was performed to observe the mechanical properties modification, i.e. tribological properties.

1. Introduction

The production of mixed films that simulate re-deposition of materials that may occur in fusion reactors as JET and ITER is of high interest in our days. Production of mixed layers with mechanical and especially tribological characteristics is also at great importance for industry [1]. Low Temperature Plasma Physics laboratory produces currently tungsten and beryllium coatings on the first wall tiles used at the JET reactor in Culham, UK. The coating of these materials are few micrometer in thickness and are prepared using the thermionic vacuum arc (TVA) technology [2-3]. Switching the attention towards DEMO [4] in the mixed film deposition field, there are incipient studies concerning layer containing mixed W and metal. During DEMO operation mixed containing W layers will be formed due to erosion and redeposition processes that will ocurr during the operation, as it happened in JET and it is expected in ITER. It is a great importance to study these mixed materials in a wide range of relative concentrations from the fuel retention point of view as well as their mechanical properties. this paper proposes a method to simulate either uniform mixed layers formation or a wide range of consentrations that are characterised by X-ray micro-beam fluorescence (µXRF) from the point of view of concentration and their triblogical properties was investigated prior and after a high heat flux (HHF) test performed on the layers. The reason the HHF test was performed is that mixed redeposited layers that will form during DEMO operation will be subject to plasma particles that will not be properly confined by the magnetic field and also be suject to plasma disrubtions (ELMs) that induce to these a lalge amount of energy (kJ) in a short period of time (ns). This was simulated using a laser pulse that had comparable time of operation and local energy. trybological and morphological modifications were investigated afterwards.

2. Methods

Using thermionic vacuum arc method mixed films containing W-Fe-Ni were produced using three independent evaporators. Two deposition campaigns were conducted with rotated and fixed geometry. Glass and silicon rectangular substrates of 11 mm x 11 mm were settled on a 320 mm diameter stainless steel probe holder. The distance between the anodes and the sample holder was 210 mm, while the distance between the centers of the probes was kept constant at 19 mm, in total being produced by TVA method a number of 148 samples (Fig. 1).

Figure 1. dimension specification of probe spatial distribution on sample holder

The composition variation of less than 1 µm thickness coating layers prepared by TVA method, was analyzed using low value excitation energies (<50 KeV) by the method called micro-beam X-ray fluorescence (µ-XRF) [5-7]. This method in particular can focus the X-ray beam on the surface of the sample. With this instrument surface mapping of W, Fe and Ni on Silicon were conducted for fixed as for rotated deposition geometry without destroying the deposited surface. This method is optimal for thinner layers deposition less than 5-6 microns due to the saturation effect presented by tungsten L characteristic energetic lines [8]. The measurement standard set-up and samples mouned on the measuring stand are presented in figure 2.

From the analysis of X-ray fluorescence spectrum, by determining with calibration samples (bulk Fe, Ni, W) the energy of X-ray peaks, it was possible to qualitatively determine the elemental composition and also to measure the atomic ratio variation on the surface of the samples for both rotated and fixed geometry.

Experimental conditions for µ-XRF and source parameters were kept fixed, integration time of 45 seconds, Mo target X-ray source with current of 700 µA and a 45 kV voltage. Using bulk materials, energy calibration of the spectrum was carried out in order to conduct area integration upon characteristic energetic for Fe (K-line 6.39 keV), Ni (K-line 7.47 keV) and W (L-line 8.39 keV). Transformation from integrated peak area to layer thickness was possible in-situ with the use of film thickness monitor based on crystal quartz balance that provided a calibration thickness for the central sample. Ni, W, Fe calibration curves conducted in a prior work shows a linear dependence between the layer thickness and the integrated peak area of photon counts for each element for analyzed samples under 0.5µm thickness per element [8].

For both deposition setups, within elemental combinations of W-Fe-Ni, a surface mapping campaign was conducted.

Fig.2 µ-XRF experimental setup with mounted samples(left) and photograph of the analyzed samples – divided area by smaller zones of 55 mm x 66mm (right)

A total of 148 samples (silicon substrate with 11 mm x 11 mm) were measured, with a measuring point step of 12 mm (each sample measured once in the center), providing less noise XRF analysis by eliminating the shadowing deposition effect from the margin areas of each probe [citare]. The 148 samples on the 320 mm diameter probe holder were place with a constant gap of 19 mm. In order to fit in the maximum moving area range of the motorized XYZ axis (100 by 100 mm), as shown in Fig.2, we divided in 4 distinct areas (55 by 66 mm).

3. Theoretical considerations

Two cases are investigated. One in fixed geometry, where tha substrate holder is kept in the same position during the deposition and the other one when, in order to obtain the same atomic ratios for the three elements, the sample holder is rotated during the entire deposition process. For the setup were the sample holder is rotated around a fixed center in the same plan, R represents the radius between the fixed center and chosen sample point (S). The realized angle at a moment of time t is ωt, were ω is the constant rotation angular velocity. The distances from the projection points of the sources (B1, B2, B3) on the sample holder surface until the center of the holder (O) are x1, x2 respectively x3. The height from the pulverization source until the projected point are marked with h1, h2, h3 and the d1, d2, d3 represents the distance from the sample (R) to the projection points. The last notations are r1, r2, r3 that describes the path from the evaporation source to the chosen sample point (S). All notations can be observed in Fig. 3 and is noticeable that xi, hi and radius are constant despite the rotation.

Fig.3 Theoretical deposition modeling for three anode setup of TVA deposition

Ri are the deposition velocity per unit time of a probe dependent by Fe, W and Ni sources. In rotational geometry deposition case we have a uniform tendency of deposition along the holder’s diameter given by the formula:

(1)

were A, B are constants, represents the angular velocity, t- time and the initial angle state. Theoretical distribution was carried out starting with the measurements upon distances (hi, xi) in case of Fe anode in the vacuum chamber deposition and with given values for radius from 0 to 150 mm. In Fig.4 are shown the result after the integration by time the formula (1), marked as black line, and were the high values for thickness are positioned in the fixed center of the rotated sample holder.

For the deposition rate for fixed geometry marked as blue line (Fig.4), it had been applied the equation:

(2)

Red line in Fig.4 represents the anode fixed position.

Fig.4 Comparison between theoretical and experimental data distribution obtained for

Ni element along the holder’s diameter

If the parameters in the eq.4 that were considered fixed (h, X) are varied than we obtain the following results (Fig.5,6). Firstly is taken into account the anode height variation at a constant X=8 cm (distance from the fixed centre on the holder sample to the anode projection point). In order to have a smooth deposition on the diameter of the sample holder is necessary that the distance between the sample holder and the anode to have a high value as possible (considering the technological constrains of the TVA deposition method). For better understanding, the right plot in Fig.8 shows the extremities values of anode height curves. In case of the X variation, for a more uniform deposition in a rotated geometry, the higher the value of X is the more uniform the deposited layer results (Fig.6).

4. Theory versus measurements

Both experimental and theoretical interpretations were conducted. Starting from the Langmuir-Knudsen formula that simulates the deposition rates occurring with the TVA method we can anticipate the deposition tendencies (Fig.7).

(3)

due to the fact that the residual pressure pb is much smaller than the vapors pressure p(T) and all the samples are in the same samples holder plane () it results a simplified equation:

(4)

The theoretical deposition distribution result after application of eq. 3 for all elements (W, Fe and Ni) is shown by a 3D color map surface plot (Fig.7) in arbitrary units.

Fig. 7 Color map surface plot in fixed deposition geometry for W, Fe, Ni

Central thickness calibrated probe was analyzed in more than one point in order to make mean values of photon counts correlated to known measured thickness for each deposited element (Fig.8). The recorded values on central probe for fixed geometry with the use of film thickness monitor was W=100 nm, Fe=243 nm and Ni=181 nm with a total deposition layer of 559 nm. For the rotated geometry deposition the calibrated sample have the values W=101 nm, Fe=244 nm, Ni= 181 nm with a total layer thickness of 526nm.

Fig. 8 Central calibrated sample analyzed in multiple central points by µ-XRF method

For a clear view we compare the experiment with the distribution theory for a single element, as example Ni. Results upon integral sample surface show good agreement between theoretical distribution and experimental analyzed data (Fig. 9). In the color map, the Z axis represents the thickness (nm) converted from the peak area of photon counts using the calibrated central probe, while x and y axis represents the investigated area dimension.

Contour plot shows that the highest deposition thickness is situated as expected above Ni anode area (marked with the red area in Fig. 9 suggesting a higher evaporation rate while the deposition thickness presents a decrease along the line path from the central to periphery, opposite to the Ni anode, marked by cyan area.

Extracting data points from a selected profile along the diameter of the sample probe and crossing the center calibrated sample. It can be better observed in Fig. 9 the good agreement between the theoretical (eq. 4) and experimental data, normalized by the highest values.

Transforming the Z axis from thickness (nm) to atomic concentration (atoms/cm2) by formula (5):

(5)

where the Ac represents the atomic concentration per surface, M – molar mass, NA Avogadro number (6.022×1023), – element density and T the determined thickness.

The result shown as 3D representation atomic ratio (Fig. 10) was suitable in order for better understanding the elemental deposition variation for the elements constructing the entire layer thickness.

Fig. 10 Atomic ratio of W, Fe, Ni in fixed deposition geometry

µ-XRF experimental line profiles were conducted for the rotated geometry taken into account the theoretical distribution. In order to convert the peak areas into thickness we used the calibrated sample positioned in the fixed center of the sample holder. The results suggest a uniform deposition for all elements, and atomic ratio (Fig. 11) show more clearly a low variation of atomic concentration in the diameter of the sample holder suggesting that by rotation we can achieve a uniform depositionfrom the relative atomic ratio point of view.

Fig.11 Atomic W-Fe-Ni ratio mearured by µ-XRF for the rotated geometry samples

5. Mechanical properties investigations.

Tribological measurements were performed to investigate the friction coefiicient variation with elemental concentration using a “Ball on disk” tribometer, made by CSM Switzerland, with normal incident forces rated at 0.25 and 0.5 N respectively, on a sliding distance of 50 m and linear rate of 2cm/s. The samples were selected so that one of the elemental ratios was kept constant while the other two varied as much as possible.

A rapid decrease of 0.05 from ~0.24 to 0.19 of the friction coefficient is observed when the W/Fe ratio excedes 0.25. Increasing further more the tungsted inside the layer, no significant improvementes are observed. For the Ni/Fe and W/Ni ratios, optimim values are observed at intermediary ratios. Between 1 and 2 for Ni/Fe and 0.2 for W/Ni, where the friction coefficiend drops below 0.2, a very good value for the dry sliding experiment.

W-Fe-Ni obtained structures by rotating geometry were directly irradiated using a 3.5 mJ/ pulse laser and 355 nm wave length. Even though the beam energy is very high for this thickness type film, the beam was expanded so that the energy introduced within the film is below the ablation threshold, following only the structural changes. In addition, due to the expanding it was followed both the uniformity of total power density on the sample and a radial symmetry of local energy to which the sample was tested. On the irradiated samples, tribological measurements were performed before and after the exposure using at the same conditions mentioned above.

Tribological measurement (Figures 13 and 14) showed a decrease of the friction coefficient between 17 and 33% comparing with its initial values before film irradiation, the variation being due to relative concentrations (W vs. Fe vs. Ni).

SEM images were acquired for wearing signs after measuring the friction coefficient using tribological methods. As it can be seen in figure 15 and the high wearing rate (the time when the structure is destroyed showed through tribological method) showed that the samples became more brittle after irradiation by cracks with a length of several microns. As the tribological behavior was more obviously improved, the life of structures during the measurements performed for friction coefficient was shortened and the cracks were wider.

Conclusions

TVA method is used to produce functional composite materials for fusion plasma wall interactions related studies. The TVA method was obtimised using theoretical considerations that were validated by micro-Xray fluorescence method.

XRF method was used as a non-invasive solution adapted for thin functional coatings layers. XRF method is capable to determine the variation of elemental concentration for various elements in stationary and rotated deposition setups.

From the tribologic analysis, the friction coefficient of the ternary structure highly depends on the W/Fe/Ni atomic ratios: increasing the W concentration over Fe, if the Ni ratio remains constant the friction coefficient.

Laser iradiation of the layers improve the tribological behavior but decrease their lifetime during dry – sliding tribo-experiments.

Acknowledgements:

This work was supported by a grant of the RomanianNational Authority for Scientific Research, CNDI– UEFISCDI; project number 80/2014, PN-II-PT-PCCA-2013-4-2165 and project number 160/2012, PN-II-PT-PCCA-2011-3.2-1453.

References

[1] M.F. Morks, Ivan Cole, Akira Kobayashi, Plasma forming multilayer ceramics for ultra-high temperature application, Vacuum, 88 (2013) 134-138.

[2] C. P. Lungu, I. Mustata, V. Zaroschi, A. M.Lungu, A. Anghel, P. Chiru, M. Rubel, P. Coad G. F. Matthews and JET-EFDA contributors, , Phys. Scr.,T128 (2007) 157–161.

[3] C. Porosnicu, A. Anghel, K. Sugiyama, K. Krieger, J. Roth, C.P. Lungu, J. Nuc. Mat. 415 (2011) S713–S716.

[4] K. Tobita, et al. Nucl. Fusion 49 (2009) 075029

[5] I. Tiseanu, T. Craciunescu, A. Möslang Fusion Engineering and Design, 84, (2009) 1847-1851.

[6] I. Tiseanu, T. Craciunescu, B. Pegourier, H. Maier, C. Ruset, M. Mayer, C. Dobrea and A. Sima, Phys. Scr. T 145, 014073 (2011).

[7] I. Tiseanu, M. Mayer, T. Craciunescu, A. Hakola, S. Koivuranta, J. Likonen, C. Ruset, C. Dobrea, ASDEX Upgrade Team, Surface & Coatings Technology 205, S192 (2011)

[8] M. Lungu, C. Dobrea, T.Craciunescu, I. Tiseanu, C. Porosnicu, I. Jepu, I. Mustata, Mixed Film Coatings Analyzed by Micro X-Ray Fluorescence Method, Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures Vol. 9, No. 3, July – September 2014, p. 899 – 906