Neutral pressure gauges of the ASDEX type (ASDEX pressure gauges or APGs) are an important diagnostic tool for monitoring particle exhaust in fusion reactors with magnetic confinement. To improve their performance under the challenging conditions of long-pulse operation, neutron irradiation, and high neutral pressures, alternative cathode materials have been investigated. This study focuses on the use of carbide cathodes–specifically hafnium carbide (HfC) and zirconium carbide (ZrC)–as thermionic emitters in APGs. We evaluated a Wendelstein 7-X-like and an ITER-like design. Stable operation is achieved with both designs, however the ITER-like design permits higher thermionic currents. Laboratory experiments have shown that carbides exhibit a much stronger interaction with hydrogen and helium compared to materials such as tungsten or lanthanum hexaboride, leading to a significant increase in the work function and a corresponding reduction in thermionic emission at high pressures. A pressure gauge with an indirectly heated ZrC cathode was also tested during plasma operation in the large helical device, where a gradual increase in heating current was observed. This effect was likely caused by shrinkage of the cathode’s carbon blocks, which limits the lifetime of the cathode unit to about 300 h in this unique case. The results demonstrate both the potential and the limitations of carbide cathodes for long-term use in fusion-relevant environments.
ASDEX型中性圧力計（ASDEX圧力計またはAPG）は、磁場閉じ込め核融合炉における粒子排気を監視するための重要な診断ツールである。長時間パルス運転、中性子照射、高中性ガス圧力といった困難な条件下での性能を向上させるために、代替陰極材料が調査されてきた。本研究では、APGにおける熱電子放出体としての炭化物陰極、具体的には炭化ハフニウム（HfC）および炭化ジルコニウム（ZrC）の使用に焦点を当てる。我々はWendelstein 7-X類似設計とITER類似設計を評価した。両設計で安定した動作が達成されるが、ITER類似設計の方がより高い熱電子電流を可能にする。実験室実験により、炭化物はタングステンや六ホウ化ランタンなどの材料と比較して、水素およびヘリウムとのはるかに強い相互作用を示し、これにより仕事関数が大幅に増加し、高圧下での熱電子放出が対応して減少することが示された。間接加熱ZrC陰極を備えた圧力計は、大型ヘリカル装置におけるプラズマ運転中にも試験され、加熱電流の漸増が観察された。この効果はおそらく陰極のカーボンブロックの収縮によって引き起こされ、この特異なケースでは陰極ユニットの寿命を約300 hに制限した。これらの結果は、核融合関連環境での長期使用に対する炭化物陰極の可能性と限界の両方を示している。