Raman Microscopy: A Suitable Tool for Characterizing Surfaces in Interaction with Plasmas in the Field of Nuclear Fusion

Raman microscopy, which is sensitive to chemical bonds, defects, structure, is a suitable tool that can give information on how a material can be modified by interacting with ions. We will first give concrete examples on how it can be used to characterize with a micrometric resolution samples extracted from tokamaks. We will then give concrete examples on what information can be obtained by doing a study on laboratory synthesized materials, benchmarking Raman microscopy with quantitative techniques. The first part of the chapter is focused on carbon‐based material analysis. We will show how Raman spectra are sensitive to the presence of hydrogen, a major safety issue in the field. The second part of the chapter will be focused on beryllium‐ and tungsten‐based material analysis. We will show that hydrogen can be stored as an hydride after ion implantation and that it can be released easily in tungsten oxide

Characterisation of carbon dust produced in sputtering discharges and in the Tore Supra tokamak

The sputtering of inside wall components of tokamaks can lead to the injection of supersaturated vapour in the plasma edge. The resulting condensation favours the formation of clusters which can give rise to solid particulates by further accretion. Sputtering discharges are proposed to have highlight on the formation of carbonaceous dust observed in the tokamaks with graphite based wall components. The flux of the sputtered carbon atoms is evaluated in the conditions of our laboratory discharges as well as the evolution of their energy distribution. It is shown that a cooling mechanism occurs through collisions with the discharge argon atoms, leading to a nucleation phase. A comparison between the carbon structure of the resulting dust particles and a dust sample collected in the Tore Supra tokamak is proposed. The structural differences are discussed and can be correlated to specific plasma conditions

Raman microscopy as a defect microprobe for hydrogen bonding characterization in materials used in fusion applications

We present the Raman microscopy ability to detect and characterize the way hydrogen is bonded with elements that will be used for ITER's plasma facing components. For this purpose we first use hydrogenated amorphous carbon samples, formed subsequently to plasma-wall interactions (hydrogen implantation, erosion, deposition...) occurring inside tokamaks, to demonstrate how this technique can be used to retrieve useful information. We pay attention in identifying which spectroscopic parameters are sensitive to the local structure (sp 3 /sp 2) and which gives information on the hydrogen content using isothermal and linear temperature ramp studies on reference samples produced by plasma enhanced chemical vapor deposition. We then focus on the possibility to use this fast, non-destructive and non-contact technique to characterize the influence of hydrogen isotope implantation in few nanometers of graphite and beryllium as C is still used in the JT-60 tokamak and Be is used in JET and will be used as plasma-facing component in the future reactor ITER. We also pay attention on implantation in tungsten oxide which may be formed accidently in the machine.Comment: Physica Status Solidi C, 201

Structure of the carbon layers deposited on the toroidal pump limiter of Tore Supra

International audienceScanning and transmission electron microscopy analyses have been performed for tiles extracted from the toroidal pump limiter of Tore Supra for erosion- and deposition-dominated zones. Deposit thicknesses have been estimated for the plasma-facing top and the gap side lateral surfaces. Deposit thickness profiles have been measured inside gaps, showing that deposition mainly occurs in the first millimetre and that both poloidal and toroidal gap deposition is asymmetric. Quantitative information on the deposit volume and on D-retention are thus obtained from these measurements. Carbon probed at the tile top surfaces is mainly amorphous carbon, due either to the amorphization induced by ion bombardment in the erosion dominated zone, or to deposit formation processes in the deposition-dominated zones. Deposits are tip-shaped and are oriented, which should give information on transport processes

Effect of composition and surface characteristics on fuel retention in beryllium- containing co-deposited layers

We have investigated retention of deuterium in beryllium- containing, laboratory-made films whose properties resemble co- deposits observed on JET-ILW or predicted for ITER. The samples were prepared using High Power Impulse Magnetron Sputtering and Thermo-Vacuum Arc Deposition. We have observed that retention depends on the flux of D atoms on the growing film, but even more prominently on its composition, structure, and morphology. Especially, inclusion of carbon by 10-15 at.% in the layers can increase retention by a factor of 2-10. This we attribute to increasing number of defects as well as aromatic and aliphatic C-D bonds in the samples. Other impurities do not significantly alter the D inventory while more D is retained in samples with rough or highly modified surfaces. Our results show that reproducing the reported D concentrations of ~5 at.% in JET-ILW- like deposits requires keeping the sample temperature at 100- 200°C during the production phase and optimizing the uniformity of deposition fluxes. Data from Be-D samples further indicate that fuel retention in more ITER-relevant co-deposits would be around 1-2 at.%

Physisorption sur des surfaces de glace (étude par couplage entre la manométrie isotherme d'adsorption et la spectroscopie IR-TF)

La physisorption sur des surfaces de glace amorphe entre 40 et 100 K est étudiée par couplage entre la manométrie isotherme d'adsorption et la spectroscopie IR-TF dans le cas de N[2] CO, Ar, Kr, CH[4] et CF[4]. Le couplage permet le tracé d'" isothermes infrarouge " qui a mis en évidence l'évolution de trois signaux associés à trois types de molécules de surface. La glace amorphe formée présente une grande aire spécifique (>100m[2].g[-1]) ; cependant, l'analyse montre qu'elle n'est pas microporeuse. L'étude comparative de l'adsorption des différents gaz a montré que leurs interactions avec la glace sont faibles, une liaison hydrogène étant identifiée dans le cas de N[2] et CO ; la quantité adsorbée nécessaire pour recouvrir la surface est correlée au moment quadrupolaire de l'adsorbat. Des calculs quantiques de type Hartree-Fock périodiques ont mis en évidence un effet Stark vibrationnel expliquant le déplacement de la bande associée aux OH libres de surface. Dans le cas de CO, une étude expérimentale approfondie en accord avec des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité a permis de compléter l'attribution vibrationnelle de CO adsorbé sur la glace amorphe et de modéliser trois sites d'adsorption ; elle a aussi montré l'existence d'interactions latérales stabilisantes de type L au sein de la couche adsorbée. Les premiers résultats d'adsorption de N[2] et CF[4] sur la glace cristalline étudiée par spectroscopie d'absorption X sont présentés.AIX-MARSEILLE1-BU Sci.St Charles (130552104) / SudocSudocFranceF

Dynamique des ions suprathermiques et rotation toroïdale des plasmas de tokamak chauffés par les ondes à la fréquence cyclotronique ionique

Dans des plasmas thermonucléaires, chauffés par chauffage par ondes à la fréquence cyclotronique ionique (ondes FCI), on a pu observer la rotation du plasma dans la direction toroïdale, ce qui est particulièrement intriguant puisque aucune quantité de mouvement n'est injectée par les ondes FCI. La rotation a par ailleurs un effet bénéfique sur la stabilité du plasma et permet de réduire le transport turbulent de l'énergie. Dans la présente thèse, la dynamique des ions rapides a été plus particulièrement étudiée en présence d'une modulation toroïdale (ou ripple ) du champ magnétique due au nombre fini de bobines générant ce champ. Nous avons montré qu elle joue un rôle important pour les ions rapides proches d une transition entre deux types d orbites topologiquement différentes, rôle plus grand encore si le cisaillement magnétique dans le plasma est faible. Une base de données pour la rotation toroïdale sur Tore Supra a été constituée et analysée pour des plasmas chauffés par les ondes FCI. La rotation toroïdale semble liée aux paramètres thermiques du plasma, comme le contenu énergétique ou la pression ionique. Une force thermique due au ripple magnétique pourrait être à l origine de la rotation observée dans la direction du courant plasma, tandis que les pertes ripple d ions suprathermiques seraient en partie responsables de la rotation dans le sens opposé.AIX-MARSEILLE1-BU Sci.St Charles (130552104) / SudocSudocFranceF

Etude multi échelle des dépôts carbonés collectés dans les tokamaks Tore Supra et TEXTOR

Les tokamaks sont les machines d'étude en vue de produire de l'énergie par fusion contrôlée de deux noyaux isotopes de l'hydrogène dans un plasma chaud confiné magnétiquement. Un des problèmes est celui de l'interaction plasma-paroi. L'élément principal composant les parois soumises aux plus forts flux est le carbone donnant lieu à des phénomènes complexes d'érosion. Ceci provoque la formation de dépôts ou de poussières qui sont potentiellement réactives en cas d'ouverture accidentelle de la machine. Un autre inconvénient est que ces dépôts contiennent du deutérium et potentiellement du tritium pour ITER. Cette rétention du combustible extrapolée à ITER est critique. Dans le but d'éclaircir le rôle des dépôts dans la rétention, nous avons caractérisé par différentes méthodes complémentaires les échantillons prélevés à des endroits similaires (neutraliseurs) de deux tokamaks : Tore Supra (France) et TEXTOR (Allemagne). Les volumes poreux accessibles et la distribution de taille des pores de ces dépôts sont déterminés par l'analyse d'isothermes d'adsorption de méthane et d'azote par les méthodes BET, DR, as et DFT. Afin de tenter de comprendre les mécanismes de croissance, nous avons également étudié la structure globale des dépôts. Nous montrons par MET et microspectrométrie Raman qu'ils sont non amorphes mais néanmoins très désordonnés. Nous avons également montré la présence de nanoparticules (4 à 70 nm de diamètre). Nous montrons que les nanoparticules sont comparables aux noirs de carbone : les nanoparticules sont donc sans doute formées en phase homogène dans le plasma de bord. Nous mettons alors en évidence un double processus de croissance : homogène et hétérogèneAIX-MARSEILLE1-BU Sci.St Charles (130552104) / SudocSudocFranceF

La chiralité, une propriété incontournable-quelques exemples venus de la physique: Petite histoire de la chiralité, de Pasteur à la physique d’aujourd’hui

La chiralité est une propriété géométrique universelle, que l'on rencontre dans toutes les sciences de la nature comme la physique, la chimie ou biologie et nombreux sont les domaines où la chiralité joue un rôle prépondérant. Elle est notamment au coeur des deux questions fondamentales que sont la dissymétrie matière-antimatière et l'origine du vivant. Le mot chiralité dérive du grec χείρ, qui signifie « main », et la façon la plus simple d'appréhender cette propriété est en effet de se référer aux mains, droite et gauche, qui sont des objets chiraux, images l'un de l'autre dans un miroir, mais non superposables. Après une introduction au concept de chiralité et à son histoire, ce dossier aborde six exemples de physique où cette propriété joue un rôle majeur : en physique des particules, en physique moléculaire, en spectroscopie, en optique, en plasmonique et en magnétisme. Les six articles seront publiés dans trois numéros consécutifs des Reflets, dans trois parties consacrées aux aspects fondamentaux de la chiralité, à la chiralité associée à la lumière, et à la chiralité en nanophysique (voir encadré)

Inhomogeneity of the amorphous solid water dangling bonds

International audienceAmorphous solid water (ASW) is one of the most widely studied molecular systems because of its importance in the physics and chemistry of the interstellar medium and the upper layers of the Earth's atmosphere. Although the global structure of this material, i.e. the bulk and the surface, is well characterised, we are far from having an overall understanding of the changes induced upon chemical or physical perturbation. More specifically, the behaviour of the surface and the immediate sublayers upon mid-infrared irradiation must be understood due to its direct effect on the adsorption capacities of the ASW surface. Small molecules can accrete or form at the surface, adsorbed on the dangling OH groups of surface water molecules. This behaviour allows further reactivity which, in turn, could lead to more complex molecular systems. We have already demonstrated that selective IR irradiations of surface water molecules induce a modification of the surface and the production of a new monomer species which bonds to the surface via its two electronic doublets. However, we did not probe the structure of the dangling bands, namely their homogeneity or inhomogeneity. The structure and orientation of these surface molecules are closely linked to the way the surface can relax its vibrational energy. In this work, we have focussed our attention on the two dH dangling bonds, carrying out a series of selective irradiations which reveal the inhomogeneity of these surface modes. We have also studied the effects of irradiation duration on the surface reorientation, determining that the maximum photoinduced isomerisation yield is similar to 15%