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27.09.2021
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Quantitative Untersuchung des Laserablationsprozesses mittels Kombination von optischer Spektroskopie und Massenspektrometrie

Oelmann, Jannis - Ruhr-Universität Bochum (2019)


In der vorliegenden Arbeit wird der laserinduzierte Ablationsprozess mittels Pikosekundenpulsen für verschiedene Materialien untersucht. Hierzu werden unterschiedliche Ablationsmechanismen in Abhängigkeit von den Laserparametern zunächst theoretisch erläutert. Experimentell wird die Ablation über mehrere Methoden charakterisiert: Anhand der Vermessungen von Kraterstrukturen werden die sukzessive Ablation untersucht und die materialabhängigen Abtragraten bestimmt. Weiterhin wird ein im Zuge dieser Arbeit entwickelter Versuchsaufbau vorgestellt, mit dem eine Untersuchung der laserinduzierten Ablation im Vakuum durchgeführt wird. Dieser ermöglicht eine sich ergänzende simultane Ausführung von Massenspektrometrie und optischer Spektroskopie.

Anhand der Analyse einer Solarzelle und eines C/Ti/Mo-Schichtsystems wird veranschaulicht, dass eine tiefenaufgelöste Charakterisierung über laserinduzierte Ablation mit Pikosekunden-Pulsdauern möglich ist. Die Ablationsrate innerhalb einer Schicht ist ab dem zweiten Laserpuls konstant und im verwendeten Messbereich linear zur Pulsenergie. Trotz der kurzen Pulsdauer von ΤL = 35 ps liegt ein thermischer Einfluss im Ablationsprozess vor. Dies zeigt sich in einer Abhängigkeit der Kratergröße von der Laser-Pulsenergie sowie durch wiederabgelagertes Material um den Krater.

Laserparameter wie Pulsenergie und -durchmesser wurden für die Bestimmung des Wasserstoffgehalts in fusionsrelevanten Materialien über eine Restgasanalyse und eine gleichzeitig durchgeführte laserinduzierte Plasmaspektroskopie optimiert. Eine Untersuchung der laserinduzierten Fragmentierung von Kohlenwasserstoffschichten (a-C:H) zeigt, dass ein Drittel des Wasserstoffgehalts nach der Ablation in Kohlenwasserstoffverbindungen vorliegt. Letztere müssen folglich in einer quantitativen Probenanalyse berücksichtigt werden.

Es konnte erstmalig der tiefenaufgelöste Wasserstoffgehalt in Graphitziegeln, exponiert im Fusionsexperiment Wendelstein 7-X, ex-situ quantitativ ermittelt werden. Die integrierten Signale liegen in guter Übereinstimmung mit Messungen durch thermische Desorptionsspektroskopie. Für eine potentielle zukünftige Anwendung der entwickelten Messmethode in Fusionsreaktoren werden weiterhin erste Analysen der Deuteriumrückhaltung in Graphit und Wolfram mit Teilchendichten in der Größenordnung von 1019 D Atome/cm3 vorgestellt.


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