In situ monitoring of helium (He) retention in plasma-facing materials of nuclear fusion devices is critical for understanding plasma–wall interactions (PWIs). This study introduces a transformative approach to optimize He detection in high-Z materials—tungsten (W) and molybdenum (Mo)—using laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) under vacuum conditions. The He I 587.56 nm spectral line was identified as the optimal analytical signal for LIBS due to its dominant intensity and resilience to spectral interference from high-Z elements. By systematically optimizing gate delay timing and leveraging spatial plasma emission characteristics, a threefold improvement in the signal-to-noise ratio was achieved through the exclusion of core plasma emissions, where bremsstrahlung background and matrix interference are most pronounced. Quantitative calibration curves were established using laser-induced desorption quadrupole mass spectrometry as a reference, with internal standardization reducing prediction errors to ⩽10%—significantly enhancing accuracy in the face of variable laser ablation rates. The achieved limits of detection for He in Mo and W co-deposited layers are 0.72 × 1014 He mm−2 (0.09 at.%) and 0.84 × 1014 He mm−2 (0.11 at.%), respectively, being the lowest reported values for high-Z materials to date. This work delivers critical calibration parameters and a robust methodology for in situ LIBS diagnostics, addressing the longstanding challenge of real-time He retention monitoring in fusion devices. The proposed approach paves the way for practical applications in tokamaks such as ITER and EAST, enabling precise characterization of PWIs and facilitating advancements in plasma-facing component design.
核融合装置のプラズマ対向材料におけるヘリウム(He)保持のその場モニタリングは、プラズマ-壁相互作用(PWIs)の理解にとって極めて重要である。本研究では、真空条件下でのレーザー誘起ブレークダウン分光法(LIBS)を用いて、高Z材料であるタングステン(W)およびモリブデン(Mo)中のHe検出を最適化する革新的アプローチを導入する。He I 587.56 nmスペクトル線は、その支配的な強度と高Z元素からの分光干渉に対する耐性により、LIBSの最適な分析シグナルとして特定された。ゲート遅延タイミングの系統的最適化と空間的プラズマ発光特性の活用により、制動放射バックグラウンドとマトリックス干渉が最も顕著なコアプラズマ発光の除外を通じて、信号対雑音比の3倍の改善が達成された。定量検量線は、レーザー誘起脱離四重極質量分析を参照法として確立され、内部標準化により予測誤差が⩽10%に低減され、変動するレーザーアブレーション速度の下での精度が大幅に向上した。MoおよびW共堆積層中のHeに対して達成された検出限界は、それぞれ0.72 × 1014 He mm−2 (0.09 at.%)および0.84 × 1014 He mm−2 (0.11 at.%)であり、高Z材料についてはこれまでに報告された中で最低の値である。本研究は、核融合装置におけるリアルタイムHe保持モニタリングという長年の課題に対処する、その場LIBS診断のための重要な較正パラメータと堅牢な方法論を提供する。提案されたアプローチは、ITERやEASTのようなトカマクでの実用応用への道を開き、PWIsの精密な特性評価を可能にし、プラズマ対向コンポーネント設計の進展を促進する。