A set of dedicated marker samples consisting of fine-grain graphite as substrate, an interlayer of 0.2–0.4 μm molybdenum (Mo) employed as marker, and a 5–10 μm thick carbon (C) marker layer on top were installed in Wendelstein 7-X (W7-X) to investigate locally the C erosion and deposition. In this study, a set of five individual marker tiles, installed in a vertical divertor element of the test divertor unit in half-module 50, and exposed to about 40 min of plasma predominant in the standard magnetic divertor configuration in the first year of divertor operation in W7-X (OP1.2A), were retrieved from the vessel for post-mortem analysis. Picosecond laser induced breakdown spectroscopy (ps-LIBS) was applied on these marker tiles in order to determine the local erosion/deposition pattern caused by plasma impact. The general erosion/deposition pattern on the vertical target element was studied with the aid of depth-profiling by Mo line emission due to ps-LIBS with the number of applied laser pulses (355 nm, 2.3 J cm−2, 35 ps) at one probing location. Several potential asymmetry factors which avoid a perfect layer-by-layer ablation process in the laser ablations are proposed and discussed when a rough layered structure sample with a rough surface is analysed by the ps-LIBS technique. Thereby, a simulation model was developed to correct the measurement error of the ps-LIBS method caused by the non-perfect rectangle profile of the applied laser beam. The depth resolution of the applied ps-LIBS system was determined by quantification of the laser ablation rates of the different layers and the C substrate which were measured utilising profilometry and cross comparison with the thicknesses of the C and Mo marker layers determined by a combined focused ion beam and scanning electron microscopy technique. For the first time, the erosion/deposition pattern on the vertical target was mapped and quantified by ps-LIBS technique. A relatively wide net erosion zone with a poloidal extend of about 200 mm was identified which can be correlated to the main particle interaction zone at the magnetic strike-line of the dominantly applied standard magnetic divertor configuration. At the position of peak erosion, not only 7.6 × 1019 C atoms/cm2 but also 2 × 1018 Mo atoms/cm2 which results can be extrapolated to total 15 × 1019 C atoms/cm2, were eroded due to plasma fuel particle (H, He) and impurity (O, C) ion impact.
微細粒黒鉛を基板とし、マーカーとして用いる0.2–0.4 μmのモリブデン(Mo)中間層と、その上に5–10 μm厚の炭素(C)マーカー層からなる一連の専用マーカー試料を、Wendelstein 7-X(W7-X)に設設し、局所的なCのエロージョンと堆積を調査した。本研究では、ハーフモジュール50の試験ダイバータユニットの垂直ダイバータ要素に設設され、W7-Xのダイバータ運転初年度(OP1.2A)において標準磁気ダイバータ配位で優勢なプラズマに約40分間さらされた5枚の個別マーカータイル一式が、事後分析のために容器から回収された。これらのマーカータイルに対して、プラズマ衝撃による局所的なエロージョン/堆積パターンを決定するために、ピコ秒レーザー誘起絶縁破壊分光法(ps-LIBS)を適用した。垂直ターゲット要素上の全体的なエロージョン/堆積パターンは、1つの探査位置において、印加レーザーパルス数(355 nm、2.3 J cm⁻²、35 ps)によるps-LIBSのMo線発光を用いた深さプロファイリングによって調べられた。粗い表面を有する粗い層状構造試料がps-LIBS技術によって分析される場合に、レーザーアブレーションにおいて完全な層ごとのアブレーションプロセスを妨げるいくつかの潜在的な非対称要因を提案し、考察した。そこで、印加レーザービームの不完全な矩形プロファイルによって引き起こされるps-LIBS法の測定誤差を補正するためのシミュレーションモデルを開発した。適用したps-LIBSシスステムの深さ分解能は、プロフィロメトリを利用して測定された異なる層とC基板のレーザーアブレーション速度の定量化と、集束イオンビームと走査電子顕微鏡法を組み合わせた技術によって決定されたCおよびMoマーカー層の厚さとの相互比較により決定された。初めて、垂直ターゲット上のエロージョン/堆積パターンがps-LIBS技術によりマッピングされ、定量化された。主として適用された標準磁気ダイバータ配位の磁気ストライクラインにおける主な粒子相互作用領域と関連付けられる、ポロイダル方向に約200 mmの比較的広い正味エロージョン領域が同定された。ピークエロージョン位置では、プラズマ燃料粒子(H, He)および不純物(O, C)イオン衝撃により、7.6 × 10¹⁹ C原子/cm⁻²だけでなく、2 × 10¹⁸ Mo原子/cm⁻²もエロージョンされ、その結果は合計15 × 10¹⁹ C原子/cm⁻²に外挿することができる。