Quantitative, spatially resolved measurements of near-surface material composition on plasma-facing components (PFCs) are critical for interpreting plasma–wall interaction (PWI) driven impurity sources, assessing wall-conditioning performance, and providing model constraints for impurity migration and co-deposition in present-day magnetic confinement devices and future reactors. In this work, picosecond laser-induced breakdown spectroscopy (ps-LIBS) is applied to post-mortem graphite divertor tiles from the stellarator Wendelstein 7-X (W7-X) under device-relevant high vacuum (∼10−7 mbar) to obtain poloidally resolved two-dimensional maps and depth profiles of carbon (C), boron (B), hydrogen (H), and oxygen (O). The ps-LIBS results are cross-validated against isotope-sensitive diagnostics (nuclear reaction analysis, NRA; laser ablation molecular isotopic spectroscopy, LAMIS) and complemented by profilometry, focused ion beam scanning electron microscopy (FIB-SEM)/energy-dispersive x-ray spectroscopy (EDS) and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) to relate lateral patterns to film thickness and near-surface chemistry. Pronounced poloidal heterogeneity is observed: the thickness of mixed co-deposited layers range from ∼0.3 to 0.4 μm in erosion-dominated regions, to ∼0.9 μm in B-rich deposition zones, and exceeds 12 μm in 13C-rich deposits near the outer strike line after 2.5 h of H plasma operation. Depth profiling reveals that late-phase 13CH4 injection forms a C–H–O enriched top layer that locally restructures the pre-existing boronized layer resulting from boronizations, including a pronounced subsurface B maximum at ∼4-5 μm. A calibration-based approach was established to estimate B/C ratios and B inventories from ps-LIBS, enabling quantitative evaluation across the B-rich region, the 13C-rich deposition zone, and the erosion zone. The resulting poloidal and depth-resolved observables constitute benchmark-grade constraints for validating impurity transport/co-deposition modeling and support LIBS pathways toward in-vessel, near-real-time monitoring of surface elemental evolution under varying operational conditions.
プラズマ対向機器（PFC）の表面近傍の材料組成に関する定量的かつ空間分解された測定は、プラズマ–壁相互作用（PWI）に起因する不純物源の解釈、壁調整性能の評価、そして現在の磁場閉じ込め装置や将来の炉における不純物輸送・共堆積のモデル制約を提供するために極めて重要である。本研究では、ピコ秒レーザー誘起ブレークダウン分光法（ps-LIBS）を、恒星器Wendelstein 7-X（W7-X）の黒鉛ダイバータタイルの照射後試料に対して、装置関連の高真空（∼10−7 mbar）下で適用し、炭素（C）、ホウ素（B）、水素（H）、酸素（O）のポロイダル分解二次元マップと深さプロファイルを得た。ps-LIBSの結果は、同位体感度の高い診断法（核反応分析法、NRA；レーザーアブレーション分子同位体分光法、LAMIS）と相互検証され、さらに触針式段差計、集束イオンビーム走査電子顕微鏡（FIB-SEM）/エネルギー分散型X線分光法（EDS）、X線光電子分光法（XPS）によって補完され、面内パターンを膜厚および表面近傍の化学状態と関連付けた。顕著なポロイダル不均一性が観察された：混合共堆積層の厚さは、エロージョン支配領域では約0.3〜0.4 μm、Bリッチ堆積領域では約0.9 μm、そして2.5時間のHプラズマ運転後の外側ストライク線付近の13Cリッチ堆積物では12 μmを超えた。深さプロファイリングにより、後期段階の13CH4注入がC–H–O富化トップ層を形成し、ホウ素化処理によって生じた既存のホウ素化層を局所的に再構築すること、さらに約4〜5 μmに顕著なサブサーフェスB最大値が現れることが明らかになった。ps-LIBSからB/C比とBインベントリを推定するための較正ベースの手法が確立され、Bリッチ領域、13Cリッチ堆積領域、エロージョン領域にわたる定量的評価が可能となった。得られたポロイダルおよび深さ分解された観測量は、不純物輸送・共堆積モデリングを検証するためのベンチマーク級の制約を構成し、様々な運転条件下での表面元素組成変化の炉内・準実時間モニタリングに向けたLIBSの道筋を支援するものである。