Development of nanostructured rhodium films for diagnostic mirrors employed in nuclear fusion systems

Plasma diagnostics system will be essential for the success of the nuclear fusion system ITER. It will provide the means to control the nuclear fusion process, together with the protection of the machine. Many diagnostics will exploit the use of the thermonuclear plasma light which will reach the measurement apparatuses by complex mirrors labyrinths. The first elements of these diagnostics will be metallic mirrors called "First Mirrors" (FMs). Among the main effects of ITER extreme environment on FMs, erosion by energetic particles coming from the plasma and re-deposition of sputtered ITER chamber material transported in the plasma onto their surface could lead to a dramatic decrease of FMs specular reflectivity, thus compromising the operation of the entire diagnostics. One of the principal technological solutions for ITER FMs consists in high reflective rhodium (Rh) coatings deposited on suitable substrates. This Ph.D thesis had a twofold goal. Firstly, the production of Rh coatings for ITER FMs by means of Pulsed Laser Deposition (PLD) was considered. By suitably changing the process parameters, PLD allows morphology and nanostructure control of the growing film. This peculiar feature could in principle determine a potential improvement of Rh films behaviour under ITER plasma erosion. The second objective of this Ph.D was focused on a first study of the laser cleaning technique as a potential method to mitigate ITER FMs re-deposition. The main goal was to develop a novel approach to the process of Rh films production-contamination-cleaning, in which the same laser system is exploited to experimentally investigate this topic with laboratory-scale facilities.

Le diagnostiche di plasma saranno essenziali per il successo del dispositivo a fusione nucleare ITER. Tali sistemi dovranno garantire sia il controllo del processo di fusione nucleare che la sicurezza dell'intera macchina. Molte diagnostiche utilizzeranno la luce proveniente dal plasma che verrà trasmessa agli strumenti di analisi tramite complessi labirinti di specchi. I primi elementi saranno specchi metallici, chiamati "First Mirrors" (FMs). Tra i principali effetti dell'ambiente estremo di ITER sui FMs, l'erosione da parte delle particelle provenienti dal plasma e la ri-deposizione sulla loro superficie del materiale eroso dalla camera di ITER, potrebbero determinare un netta decrescita della riflettività dei FMs, compromettendo il funzionamento delle diagnostiche. Una delle principali soluzioni per la produzione di FMs consiste nella deposizione di film di rodio (Rh) su opportuni substrati. Questa tesi ha un duplice obiettivo. Innanzitutto è stata affrontata la produzione di rivestimenti in Rh altamente riflettenti per FMs tramite Pulsed Laser Deposition (PLD). Modificando opportunamente i parametri di processo, la PLD permette di controllare la morfologia e la nanostruttura del film depositato. Questa caratteristica peculiare potrebbe migliorare il comportamento dei film di Rh erosi dal plasma di ITER. Il secondo obiettivo di questo Dottorato consiste nello studio della tecnica del laser cleaning come metodo per contrastare il fenomeno della ri-deposizione sui FMs. In particolare, è stato sviluppato un approccio innovativo al processo di produzione-contaminazione-pulizia di film di Rh, in cui lo stesso laser viene impiegato per investigare sperimentalmente questa tematica in ambito di laboratorio.