Laser cleaning of diagnostic first mirrors from ITER-relevant boron-containing layers

I sistemi diagnostici ottici rivestono un ruolo fondamentale nei dispositivi a fusione a confinamento magnetico come ITER, in quanto forniscono misure indispensabili per il controllo del plasma e per la sicurezza operativa del reattore. Molti di tali sistemi impiegano i cosiddetti first mirrors (FM), elementi ottici utilizzati per raccogliere e reindirizzare la radiazione elettromagnetica proveniente dal plasma verso rivelatori remoti. L’esposizione diretta all’ambiente del reattore e al plasma sottopone i FM ai processi di interazione plasma–parete, tra i quali la rideposizione di materiale rappresenta uno dei principali meccanismi di degradazione. Tale fenomeno comporta una riduzione della riflettanza dello specchio, che può compromettere in modo significativo le prestazioni dei sistemi diagnostici associati, con potenziali ripercussioni sull’affidabilità e sulla sicurezza dell’impianto. In tale prospettiva, lo sviluppo di tecniche di pulizia in situ efficaci costituisce una priorità. Tra le soluzioni proposte, la pulizia laser si configura come una tecnica promettente e compatibile con le condizioni operative di un reattore a fusione. Le ricerche precedenti hanno riguardato prevalentemente la rimozione di contaminanti a base di carbonio, berillio e tungsteno, mentre i ridepositi contenenti boro non sono stati oggetto di studi sistematici. Tale lacuna assume particolare rilevanza alla luce della selezione dei materiali di ITER successiva alla re-baseline del 2023, che ha sancito l’adozione di una configurazione interamente in tungsteno per l'ambiente esposto al plasma, insieme all’impiego della boronizzazione come tecnica di condizionamento delle pareti. In questo contesto, la presente tesi si propone di investigare la pulizia laser di first mirrors diagnostici contaminati da film contenenti boro attesi in ITER, mediante l’impiego di apparecchiature e metodologie sperimentali su scala di laboratorio. Specchi in molibdeno policristallino sono stati realizzati mediante un processo di lucidatura finalizzato al raggiungimento di una finitura ottica, così da ottenere una superficie di riferimento controllata e riproducibile per le prove di contaminazione e pulizia. Film di solo boro e film misti B–W, con spessore e composizione definiti in modo controllato, sono stati depositati mediante magnetron sputtering a radiofrequenza, includendo casi selezionati con incorporazione di deuterio. I film di solo boro, in particolare a maggiore spessore, hanno evidenziato una marcata instabilità meccanica, manifestata da formazione di cricche e delaminazione parziale, mentre i corrispondenti film contenenti deuterio hanno mostrato una migliore integrità strutturale. I film sono stati caratterizzati tramite tecniche di ion beam analysis, in particolare time-of-flight heavy ion elastic recoil detection analysis (ToF-HIERDA) e Rutherford backscattering spectrometry (RBS), integrate da analisi morfologiche mediante microscopia elettronica a scansione e da misure spettrofotometriche di riflettanza. Gli esperimenti di pulizia sono stati condotti utilizzando un laser Nd:YAG Q-switched a impulsi a nanosecondi operante alle lunghezze d’onda di 1064 nm e 532 nm. L’efficacia della rimozione è stata valutata in termini di modifiche morfologiche e di recupero della riflettanza totale, speculare e diffusa. I risultati evidenziano come l’irraggiamento laser possa determinare un significativo recupero della riflettanza, in particolare nel caso di contaminazione da solo boro. Gli strati misti B–W si sono dimostrati più difficili da rimuovere, con la persistenza di residui ricchi in tungsteno sulla superficie. L’efficienza del processo dipende dalla composizione e dallo spessore del film e, in misura più contenuta, dall’eventuale presenza di deuterio. Il boro sembra svolgere un ruolo determinante nell’assorbimento dell’energia laser e nell’attivazione dei meccanismi di rimozione, mentre il tungsteno tende a ostacolare la completa eliminazione del film contaminante. Sebbene l’irraggiamento nel visibile a 532 nm sia risultato generalmente più efficace rispetto a quello nell’infrarosso, l’influenza della lunghezza d’onda non è stata isolata in modo univoco in tutte le condizioni sperimentali. Nel complesso, il lavoro fornisce la prima valutazione sperimentale sistematica della pulizia laser di ridepositi contenenti boro rilevanti per i first mirrors di ITER. I risultati contribuiscono a chiarire i meccanismi alla base della rimozione indotta dal laser e delineano un quadro metodologico utile per l’ottimizzazione delle strategie di pulizia in condizioni rilevanti per dispositivi a fusione a confinamento magnetico.

Optical diagnostic systems play a crucial role in magnetic confinement fusion devices like ITER, providing essential measurements for plasma control and safe reactor operation. Many of these systems rely on first mirrors (FMs) to collect and redirect electromagnetic radiation from the plasma to remote detectors. Being directly exposed to the harsh fusion environment, FMs are subject to plasma–wall interaction processes, among which material re-deposition represents one of the most critical degradation mechanisms. In particular, the dramatic decrease of FM reflectance caused by re-deposition of contaminants can severely compromise the performance of the corresponding diagnostic systems, ultimately impacting reactor safety and operational reliability. For this reason, the development of effective in situ cleaning techniques is of primary importance. Among the proposed approaches, laser cleaning has emerged as a promising technique compatible with reactor conditions. Previous investigations have mainly focused on the removal of carbon-, beryllium-, and tungsten-based contaminants, whereas boron-containing layers have not been systematically studied. This represents a significant knowledge gap, particularly in light of the ITER material selection following the 2023 re-baseline, which established a fully tungsten plasma-facing configuration, combined with boronization adopted as a wall conditioning technique. In this context, the present thesis aims to investigate the laser cleaning of diagnostic first mirrors contaminated with ITER-relevant boron-containing layers using laboratory-scale equipment and techniques. Polycrystalline molybdenum mirrors were fabricated and polished to optical grade, providing a reproducible baseline for contamination and cleaning studies. B-only and mixed B–W films with controlled thickness and composition were deposited by RF magnetron sputtering, including selected cases with deuterium incorporation. B-only films, especially at larger thickness, exhibited mechanical instability manifested by cracking and partial delamination, whereas deuterium-containing counterparts showed improved structural integrity. The deposited layers were characterised by ion beam analysis techniques, namely time-of-flight heavy ion elastic recoil detection analysis (ToF-HIERDA) and Rutherford backscattering spectrometry (RBS), together with scanning electron microscopy and spectrophotometric reflectance measurements. Laser cleaning experiments were performed using a Q-switched Nd:YAG nanosecond laser operating at 1064 nm and 532 nm, and the removal behaviour was systematically assessed in terms of morphological modifications and recovery of total, specular, and diffuse reflectance. The results demonstrate that laser irradiation can lead to a significant recovery of mirror reflectance, particularly in the case of boron-only contamination. Mixed B–W layers proved more challenging to remove, with residual tungsten-rich features persisting on the surface. The cleaning efficiency was found to depend on film composition, thickness, and, to a lesser extent, deuterium incorporation. Boron appears to play a key role in laser energy absorption and in triggering removal mechanisms, whereas tungsten hinders complete cleaning. Although visible irradiation at 532 nm generally enhanced removal compared to infrared radiation, wavelength-dependent effects were not unambiguously isolated for all investigated conditions. Overall, this work provides the first systematic experimental assessment of laser cleaning for boron-containing redeposits relevant to ITER first mirrors. The results contribute to clarifying the mechanisms governing laser-induced removal and establish a structured framework for the optimisation of laser cleaning strategies under fusion-relevant conditions.