15N:n pintatiheyden mittaaminen ASDEX Upgrade -fuusioreaktorista irrotetuista näytteistä TOF-ERDA:lla, NRA:lla ja SIMS:llä

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2017112252112
Title: 15N:n pintatiheyden mittaaminen ASDEX Upgrade -fuusioreaktorista irrotetuista näytteistä TOF-ERDA:lla, NRA:lla ja SIMS:llä
Author: Lahtinen, Aki
Other contributor: Helsingin yliopisto, Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, Fysiikan laitos
University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Helsingfors universitet, Matematisk-naturvetenskapliga fakulteten, Institutionen för fysik
Publisher: Helsingfors universitet
Date: 2015
Language: fin
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2017112252112
http://hdl.handle.net/10138/230340
Thesis level: master's thesis
Discipline: Physics
Fysiikka
Fysik
Abstract: Fuusioreaktiossa kaksi kevyttä ydintä yhtyy yhdeksi raskaammaksi ytimeksi ja samalla vapautuu energiaa. Fuusioreaktio tarvitsee tapahtuakseen hyvin korkean lämpötilan, minkä seurauksena aine on olomuodoltaan plasmaa. Esimerkiksi fuusioreaktoreissa käytettäväksi suunniteltu vedyn isotooppien deuteriumin ja tritiumin välinen reaktio vaatii tapahtuakseen plasman kuumentamista yli 100 miljoonan kelvinin lämpötiloihin. Tutkituin fuusioreaktorimalli on tokamak, jossa kuumaa plasmaa hallitaan toruksen muotoisessa kammiossa voimakkaiden magneettikenttien avulla. Plasmaa koossapitävästä magneettikentästä huolimatta plasmasta karkaa hiukkasia, jotka lopulta osuvat kammion pinnoille. Yksi tapa kammion pintoihin kohdistuvan lämpö- ja hiukkasvuon pienentämiseksi on suihkuttaa kammioon epäpuhtausatomeja tai -molekyylejä jäähdyttämään reunaplasmaa. Typpi on osoittautunut kiinnostavaksi vaihtoehdoksi tähän tehtävään. Typen kulkeutuminen ja kertyminen reaktorikammion sisällä vaatii kuitenkin vielä lisätutkimuksia. Typen harvinainen isotooppi 15N tarjoaa mahdollisuuden tutkia näitä kysymyksiä. Tyypillisesti tämä tehdään merkkiainekokeiden avulla, jolloin reaktorikammioon suihkutetaan valittua merkkiainetta tunnetuissa olosuhteissa ja kokeen jälkeen selvitetään merkkiaineen jakauma reaktorikammion pinnoilla. Tässä työssä keskityttiin seinätiiliin, jotka on irrotettu ASDEX Upgrade -fuusioreaktorista (AUG) vuosien 2010-2011 koekampanjan jälkeen. Kyseisen koekampanjan lopussa suoritettiin 15N-merkkiainekoe. Työssä tutkittiin tiilistä porattujen näytteiden 15N-pitoisuuksia lentoaika-rekyylianalyysilla (Time Of Flight Elastic Recoil Detection Analysis, TOF-ERDA), ydinreaktioanalyysilla (Nuclear Reaction Analysis, NRA) ja sekundääri-ionimassaspektrometrialla (Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS). Vertailun vuoksi tutkittiin myös 15N:llä implantoituja testinäytteitä. Tutkielman alkuosassa esitellään lyhyesti tokamak-fuusioreaktorin toimintaa, plasman vuorovaikutusta reaktorin seinämän kanssa, typen käyttöä fuusioreaktoreissa, merkkiainekokeita sekä käytetyt mittausmenetelmät. Tutkielma loppuosa keskittyy suoritettuihin mittauksiin, niiden analyysiin ja tuloksiin sekä johtopäätöksiin. Tulosten perusteella mittausmenetelmien välillä on merkittäviä eroja AUG-näytteiden kohdalla, kun taas implantoiduille näytteille erot menetelmien välillä ovat pienet. Erot johtuvat todennäköisesti AUG-näytteiden epätasaisesta pintarakenteesta, minkä seurauksena typen jakauma näytteiden pintakerroksissa vaihtelee. TOF-ERDA:lla tutkittiin näytteistä mahdollisimman sileää pintaa luotettavan analyysin onnistumiseksi. NRA-mittauksissa protonisuihku kohdistui näytteen keskelle suuremmalle pinta-alalle. Suureen alueeseen sisältyy myös karkeampia kohtia, joihin merkkiaineen kertyminen on sileää pintaa suurempaa. Tämän seurauksena NRA:lla saadaan selvästi suurempia tuloksia 15N:n pintatiheydelle kuin TOF-ERDA:lla. Kvadrupolimassaspektrometrissa ilmenneiden ongelmien vuoksi SIMS-mittauksia suoritettiin vain yksi, minkä vuoksi optimaalisten asetusten löytäminen 15N:n mittaamiseen SIMS:llä vaatii vielä lisätutkimuksia.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record