Optical properties of tungsten under deuterium and helium plasma irradiation

Propriétés optiques du tungsténe sous irradiation de plasma de deutérium et helium La mesure de la température de surface des composants face au plasma (PFC) est un enjeu crucial dans un environnement tokamak comme ITER, car elle repose sur des diagnostics optiques sans contact (pyromètres et caméras IR) dont la réponse est basée sur la connaissance précise des propriétés optiques du matériau (comme l’émissivité et la réflectivité). De telles propriétés optiques dépendent de multiples facteurs tels que l’état de surface ou la composition chimique des matériaux étudiés. Dans la région du divertor d’ITER, où les PFC sont en tungstène (W), la chaleur élevée et les flux élevés des particules de faible énergie (< 50 eV) induiront sûrement des modifications du matériau. En particulier, les ions deutérium (D) devraient avoir un effet plus modéré sur la morphologie du W, tandis que les ions hélium (He) sont connus pour créer plus de dégâts, notamment en formant des vides sous la surface (bulles d’He) et en augmentant la rugosité de la surface du W. Il est donc d'une importance fondamentale, afin de récupérer des mesures thermographiques précises, de mettre en évidence les changements de propriétés optiques du W dus aux modifications morphologiques et structurelles induites par les interactions plasma-paroi. Dans cette thèse de doctorat, nous avons pour objectif de suivre l'évolution de la surface du W in-situ et en temps réel pendant l'exposition au plasma, en utilisant un diagnostic optique (ellipsométrie spectroscopique) dans la gamme optique 400-1000 nm. Initialement, nous avons réalisé une étude préliminaire pour caractériser le rôle de la rugosité sur la réflectivité des échantillons de W tout en les chauffant simultanément. Comme prévu, nous avons trouvé une réflectivité spéculaire plus faible avec l'augmentation de la rugosité et une réflectivité plus élevée lors de cycles de recuit multiples jusqu'à 1073 K. Cette augmentation de la réflectivité est attribuée à la réduction de l'oxyde natif et à la désorption des impuretés chimiques (mesurée avec XPS). Après, nous passons à une exposition au plasma de D. Nous observons une augmentation de la réflectivité du W lors de l'exposition au plasma, et nous attribuons cette évolution à la présence de D piégé. En couplant les résultats de l'ellipsométrie et les modèles d'équations macroscopiques, nous estimons finalement la quantité de D piégé dans la sous-surface. De plus, nous effectuons également des mesures d'ellipsométrie sur des couches d'oxyde W développées thermiquement sur W. Nous observons que l'effet synergétique de la température et de l'irradiation plasma détermine l'évolution de l'oxyde, conduisant à une réduction de l'oxyde par les ions D. Avec l'ellipsométrie, nous observons le changement des constantes optiques n,k de l'oxyde et en particulier une augmentation du coefficient d'extinction k vers une valeur typique d'un métal. En couplant ces résultats aux techniques ex-situ, nous constatons que l'ellipsométrie parvient à mettre en évidence l'appauvrissement en oxygène de la surface proche même lorsqu'il est inférieur à la résolution des techniques de microscopie. Nous avons étudié l'évolution de la réflectivité du W pendant l'exposition au plasma He, créant ainsi les conditions expérimentales connues pour produire des bulles He. L'évolution des propriétés optiques et de la morphologie de surface est mesurée pendant l'exposition par ellipsométrie et est utilisée pour mieux comprendre la cinétique de la croissance des bulles. En effectuant des expositions à différentes températures et flux ioniques, à partir d'une analyse par microscopie ex situ, nous observons des bulles de plus en plus grosses avec l'augmentation de la température et une densité de bulles qui varie avec l'orientation du cristal W. Nous essayons de reconstruire la cinétique de la formation des bulles en modélisant les données d'ellipsométrie avec une couche d'approximation du milieu effectif (EMA), qui décrit la couche poreuse de surface où les bulles He sont créées