Energievariierte Photoemissionsstudien an berylliumhaltigen Oberflächen für die Fusion

Doktorarbeit / Dissertation aus dem Jahr 2013 im Fachbereich Chemie - Physikalische und Theoretische Chemie, Note: magna cum laude, Technische Universität München (Fachbereich Physikalische Chemie), Sprache: Deutsch, Abstract: Ziel der Fusionsforschung ist es, die technischen Voraussetzungen für die Energiegewinnung aus der Deuterium-Tritium-Reaktion zu schaffen. Nächster Schritt auf dem Weg dorthin ist die Konstruktion des Experimentalreaktors ITER. Für die erste Wand des Vakuumgefäßes von ITER sind die drei Elemente Beryllium, Kohlenstoff und Wolfram vorgesehen. Nach Erosion im Plasmabetrieb werden die Materialien transportiert und zusammen mit Plasmaverunreinigungen wie zum Beispiel Sauerstoff von Oberflächenoxiden redeponiert. Dies führt zur Bildung von Verbindung durch chemische Reaktionen und diffusive Prozesse angetrieben durch sowohl erhöhte Temperaturen als auch durch Energieeintrag energetischer Partikel.

Aufgrund der Komplexität der stattfindenden Oberflächenprozesse wird für die Analyse eine Methode benötigt, die sowohl qualitative als auch quantitative Daten über die beteiligten chemischen Spezies liefert, wie die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS). Da diffusive Prozesse eine Schlüsselrolle in Festkörperreaktionen einnehmen, wird eine tiefenaufgelöste Analytik benötigt. Zu diesem Zweck wird in dieser Arbeit die energievariierte XPS (ERXPS) mit der variablen Photonenenergie am Synchrotron zu einer quantitativen, tiefenaufgelösten Methode weiterentwickelt.

Für die quantitative Analyse wird ein Modell zur Berechnung der tiefenaufgelösten Zusammensetzung unter Berücksichtigung der entsprechenden mittleren freien Weglängen der Photoelektronen, die selbst von der Zusammensetzung abhängen, unter Verwendung numerischer Methoden entwickelt. Als Eingangsparameter dienen die XPS-Daten unter Berücksichtigung aller Parameter, die die Intensität beeinflussen.

Dieses quantitative Modell wird für die Beschreibung der Wechselwirkung energetischer Sauerstoffionen mit der Berylliumwolframlegierung Be2W verwendet. Die Bildung von Be2W ist in ITER an der ersten Wand und im Bereich des Divertors zu erwarten. Die Bestrahlung der Legierung führt zu einer Zersetzung der Legierung. Die Bildung von BeO findet gegenüber der Bildung von Wolframoxiden bevorzugt statt. Bei einer Temperatur von 600 K findet die Reduktion der Wolframoxide statt. Metallisches Be fungiert hier als Reduktionsmittel. O-Diffusion wird der Diffusion von BeO zugeschrieben. Die energievariierte XPS erlaubt in Kombination mit dem neu entwickelten Modell detaillierte Untersuchungen von Multikomponentensystemen unter Berücksichtigung der Tiefenverteilung.