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Abstract

In der vorliegenden Arbeit geht es darum, absolute Dichten und Geschwindigkeitsverteilungen von atomarem Wasserstoff, Deuterium und Kohlenstoff im Grundzustand durch Laserinduzierte Fluoreszenz im rakuum- ultravioletten Spektralbereich zu messen. Dies war einerseits Anlass zur Entwicklung einer zuverlaessigen Laserquelle, die in der Lage ist, die L-alpha-Linie von Wasserstoff (Lyman-Alpha, 121,6 nm) und zwei Hauptresonanzlinien von Kohlenstoff in den Wellenlaengenbereichen 115,8 und 127,7 nm anzuregen. Andererseits erwies sich diese Lichtquelle als geeignet fuer den Nachweis der obengenannten neutralen Teilchen in Gasentladungen und fuer verschiedene Zerstaeubungsexperimente. Das Hauptergebnis besteht in der erfolgreichen Frequenzverdreifachung eines Excimer-gepumpten Farbstafflasers in Edelgasmischungen, deren relativ einfache Handhabung zu der Gesamtflexibilitaet des Lasersystems beitraegt. Krypton oder Xenon wurden als aktives Gas, Argon als Puffergas verwendet. Die Frequenzverdreifachung wurde in den folgenden vier in Frage kommenden Wellenlaengenbereichen erzielt: 114,4- 116,5; 117,8-118,6; 120,3-122,5; 127,0-129,0 nm. Die nutzbare VUV-Leistung wurde hinter dem MgF-2-Fenster mit einer Au-Diode gemessen (zB. mehr als 200 W durch L-alpha bei einem 4-5 ns Langen Impuls, was einer Leistungsausbeute von leq 10"-4" entspricht). Auch wurden der optimale Gesamtdruck und die Mischungsverhaeltnisse in der Gaszelle untersucht, ferner besonders schaedliche Zwei-Photonenabsorptionen festgestellt. Anschiess end wurde die Brauchbarkeit dieser Lichtquelle in mehreren Zerstaeubungsversuchen unter Verwendung eines Argonionenstrahls mit 1,5 keV und 20 mA--durch Nachweis von Wasserstoff (H"0" und D"0") sowie Kohlenstoff (C I) mittels laserinduzierter Fluoreszenz im Vakuum-UV aufgezeigt. Die Kalibrierung der absoluten Dichten beruhte auf einem Vergleich mid den Signalen der Rayleigh-Streuung in Argon. Bei der Aufzeichnung der Atomgeschwindigkeitsverteilungen ergab sich eine gute Ueber einstimmung mit den theoretischen Thompson- Verteilungen. Die Versuche umfass ten die Zerstaeubung von Hydriden und Deuteriden (Isotopieeffekt: Dopplerprofilbreiten im Verhaeltnis surd=2), Graphit (Oberflaechenenergie von 8,2 eV gegenueber dem theoretischen Wert von 7,4 eV) und TiC (7,1 eV gegenueber einem erwarteten Wert von 7,0 eV). Der Einsatz des Verfahrens zur Materialbewertung in Laborversuchen oder als In-situ-Diagnostik erscheint vielversprechend. Es handelt sich im eine Methode, die das Plasma kaum stoert und eine gute raeumliche und zeitliche Aufloesung bietet. Denkbar ist auch eine Anwendung auf Fusionsmaschinen, sofern die Grundhelligkeit auf ein vernuenftiges Mass reduziert werden kann. Entsprechende Versuche sind an TEXTOR, dem Tokamak der Kernforschungsanlage Juelich, geplant. ti Studies in atomic hydrogen and carbon using laser- induced fluorescence in vacuum UV ab The present work deals with the measurement of absolute densities and velocity distributions of atomic hydrogen, deuterium and carbon in the ground state by means of a laser induced fluorescence in the vacuum ultraviolet. This has on the one side promoted the development of a reliable laser source apt to excite the L-"alpha"-line of hydrogen (Lyman-alpha, 121.6 nm) and two main resonance lines of carbon at the wavelengths of 115.8 and 127.7 nm. On the other side, this source has proved successful in the detection of the aforesaid neutral species in gas discharges and in various sputtering experiments. The primary result is efficient frequency tripling of an excimer-pumped pulsed dye laser in noble gas mixtures whose rather easy handling contributes to the overall flexibility of the laser system. Krypton or xenon were used as active gas and argon as buffer gas. Tripling was achieved in the following four wavelength ranges of interest: 114.4-116.5, 117.8-118.6, 120.3-122.5, 127.0-129.0 nm. The usable VUV-power was measured behind the MgF-2 window with a gold diode ("it e.g./" more than 200 W by L-"alpha" in a 4-5 ns long pulse, which corresponds to a power yield leq10"-4"). The optimum total pressure and mixing ratios in the gas cell were investigated; disturbing two-photon absorptions were also identified. The usefulness of this light source was then demonstrated in several sputtering experiments--using a 1.5 keV, 20 mA argon ion beam--through the detection of hydrogen (H"0" and D"0") and carbon (C I) by laser induced fluorescence in the vacuum UV. The absolute density calibration relied on comparison with the signals from Rayleigh scattering in argon. Atomic velocity distributions were recorded, which were well approximated by the theoretical reference profile of Thompson. The experiments included sputtering of hydrides and deuterides (isotopic effect: surd=2 ratio in the Doppler width), graphite (fitted surface energy of 8.2 eV versus theoretical value of 7.4 eV) and titanium carbide (7.1 eV to be compared with the expected value of 7.0 eV). The application of the method to material evaluation in laboratory experiments or as "it in situ/" plasma diagnostic is promising. This provides a technique almost free of plasma disturbance, which gives a good spatial and temporal resolution. It could possibly be applied to fusion machines if the background light can be reduced to a reasonable level. Corresponding investigations are planned on TEXTOR, the tokamak installed in the nuclear research center of Juelich.

Additional information

Authors: MERTENS PH KERNFORSCHUNGSANLAGE JUELICH GMBH (GERMANY), KERNFORSCHUNGSANLAGE JUELICH GMBH (GERMANY)
Bibliographic Reference: WRITE TO KERNFORSCHUNGSANLAGE JUELICH GMBH, POSTFACH 19 13 JUELICH (GERMANY), MENTIONING REPORT JUEL-2154, 1987
Record Number: 1989126108700 / Last updated on: 1989-06-01
Category: PUBLICATION
Available languages: de