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Tungsten 'fuzz' growth re-examined: the dependence on ion fluence in non-erosive and erosive helium plasma

T.J. Petty, M.J. Baldwin, M.I. Hasan, R.P. Doerner, J.W. Bradley2015年被引用 137Nuclear FusionIF 3出版社

The thickness x, of tungsten fuzz layers are measured for non-varying helium (He) plasma exposure conditions spanning four orders of ion fluence (1024–1028m−2) and flux (1019–1023 m−2 s−1), at 1000–1140 K under low energy He ion impact (50–80) eV. The data obtained are complemented by previously published data of similar growth conditions, and collectively analysed. The new analysis allows for the reconciliation of fast high flux growth with commonly observed slower growth at lower flux. It is demonstrated that the standing t1/2 time dependence is a special case of a more general expression for determining the layer thickness, , that depends on , an incubation fluence , and the growth constant m4, which is temperature dependent. The incubation fluence, which must be exceeded before the observation on the onset of fuzz surface morphology is determined to be m−2. In fuzz growth-erosion regimes, characterized by an erosion constant , that is proportional to the sputter yield, an analytic solution for has been found, by solving the growth-erosion equilibria problem of prior work with the Lambert W function. Simple limit expressions follow from the solution for determining the equilibrium fluence and fuzz thickness; the predictions of such being in good agreement with previous fuzz growth-erosion equilibria results in the literature.

日本語訳

タングステンファズ層の厚さxは、4桁にわたるイオンフルエンス(10^24〜10^28 m^-2)およびフラックス(10^19〜10^23 m^-2 s^-1)に及ぶ一定のヘリウム(He)プラズマ曝露条件下、1000〜1140 Kの低温Heイオン衝撃(50〜80 eV)において測定された。得られたデータは、同様の成長条件下での既発表データと組み合わせて補完され、総合的に分析された。この新たな分析により、高フラックスでの急速な成長と、低フラックスで一般的に観察される遅い成長との整合が可能となった。t^1/2の時間依存性は、層厚を決定するより一般的な式の特殊なケースであることが実証された。この式は、インキュベーションフルエンスφ_iと、温度に依存する成長定数k_g(m^4)に依存する。ファズ表面形態の発生開始を観察する前に超えなければならないインキュベーションフルエンスは、φ_i = 10^24 m^-2と決定された。ファズ成長-エロージョン領域では、スパッタ収量に比例するエロージョン定数k_eによって特徴づけられ、ランバートW関数を用いて先行研究の成長-エロージョン平衡問題を解くことにより、平衡フルエンスφ_eqと平衡ファズ厚さx_eqの解析解が見出された。平衡フルエンスとファズ厚さを決定するための簡潔な極限式がこの解から導かれ、その予測は文献における既存のファズ成長-エロージョン平衡結果と良好に一致する。

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