The recent decision by ITER to move from a Be to a W first wall has significant implications for material transport and deposition, and can be expected to lead to increased W layer growth rate in deposition regions, which may flake leading to plasma disruption. In this work a novel sputtering set-up was implemented in the Magnum-PSI linear plasma device to create W layers under ITER relevant conditions. A W plate was inserted into the plasma edge and biased to cause sputtering of W in an Ar plasma. This sputtered W was entrained by the plasma and deposited on an array of mixed W and Mo targets at 300 ∘C. The deposited layer thickness was later determined using weight gain of the targets, FIB-SEM cross sections and RBS. This showed a strongly inhomogeneous deposition profile with layer thicknesses varying from 100’s nm up to µm over a lateral region of around 3 cm diameter. Analysis of the layers by EDX, RBS, XRD and indentation testing showed them to be high purity dense W layers with mixed microstructure, forming columnular grains at greater thicknesses, with properties typical for W thin film growth. IR camera images showed flaking and delamination occurring during the deposition process, initiating at the layer-substrate interface and at imperfections or edges, with the flaking region growing over time. Films deposited on rough targets were better adhered than on polished ones, and high deposition rates were more likely to lead to flaking. Subsequent loading of the grown layers under simultaneous D+ plasma and ELM-like pulsed laser loading showed flaking to occur on previously adhered but poorly attached layers, as well as melt blobs forming at the edges of such layers. The results overall indicate that conditions in ITER should be favorable for growing well adhered layers, but that flaking may still occur and requires further evaluation.
ITERがベリリウム(Be)第一壁からタングステン(W)第一壁へ移行するという最近の決定は、材料輸送と堆積に重大な影響を及ぼし、堆積領域におけるW層の成長速度の増大を招くと予想され、その結果剥離が生じてプラズマディスラプションを引き起こす可能性がある。本研究では、Magnum-PSI線形プラズマ装置において、ITER関連条件下でW層を形成するために、新しいスパッタリングセットアップを実装した。W板をプラズマ端部に挿入し、バイアスを印加してArプラズマ中でWをスパッタリングさせた。このスパッタされたWはプラズマに同伴され、300 ∘CでWとMoの混合ターゲットのアレイ上に堆積した。堆積層の厚さは、その後、ターゲットの重量増加、FIB-SEM断面、およびRBSを用いて決定された。この結果、横方向約3 cm径の領域にわたり、層厚が数百nmからµmまで変化する、強く不均一な堆積プロファイルが示された。EDX、RBS、XRD、および押し込み試験による層の分析では、高純度で緻密なW層であり、混合微細組織を有し、厚さが増すにつれて柱状粒を形成し、W薄膜成長に典型的な特性を示すことが明らかになった。IRカメラ画像により、堆積プロセス中に剥離と層間剥離が発生し、層-基板界面および欠陥または端部で開始し、時間とともに剥離領域が成長することが示された。粗いターゲット上に堆積した膜は、研磨されたターゲット上のものよりも密着性が優れており、高い堆積速度は剥離を引き起こす可能性が高かった。その後、成長させた層にD+プラズマとELM様パルスレーザ負荷を同時に負荷すると、以前は密着していたが密着性の弱い層に剥離が発生し、そのような層の端部に溶融ブロブが形成されることが示された。全体的な結果は、ITERの条件は密着性の良い層の成長に有利であるはずだが、剥離は依然として発生する可能性があり、さらなる評価が必要であることを示している。