Results are presented of large-scale Molecular Dynamics simulations of low-energy He bombardment of W nanorods, or so-called 'fuzz' structures. The goal of these simulations is to see if ballistic He penetration through W fuzz offers a more realistic scenario for how He moves through fuzz layers than He diffusion through fuzz nanorods. Instead of trying to grow a fuzz layer starting from a flat piece of bulk W, a new approach of creating a fully formed fuzz structure 0.43 µm thick out of ellipsoidal pieces of W is employed. Lack of detailed experimental knowledge of the 3D structure of fuzz is dealt with by simulating He bombardment on five different structures of 15 vol% W and determining the variation in He penetration for each case. The results show that by far the most important factor determining He penetration is the amount of open channels through which He ions can travel unimpeded. For a more or less even W density distribution He penetration into fuzz falls off exponentially with distance and can thus be described by a 'half depth'. In a 15 vol% fuzz structure, the half depth can reach 0.18 µm. In the far sparser fuzz structures that were recently reported, the half depth might be 1 µm or more. This means that ballistic He penetration offers a more likely scenario than He diffusion through nanorods for how He moves through fuzz and may provide an adequate explanation for how He penetrates through the thickest fuzz layers reported so far. Furthermore, the exponential decrease in penetration with depth would follow a logarithmic dependence on fluence which is compatible with experiments. A comparison of these results and molecular dynamics calculations carried out in the recoil interaction approximation shows that results for W fuzz are qualitatively very different from conventional stopping power calculations on W with a similarly low but homogeneous density distribution.
ここでは、Wナノロッド、いわゆる「ファズ」構造への低エネルギーHe照射の大規模分子動力学シミュレーションの結果を提示する。これらのシミュレーションの目的は、WファズへのHeの移動経路として、ファズナノロッド内のHe拡散よりも、弾道論的なHe貫入の方がより現実的なシナリオであるかどうかを検証することである。バルクWの平坦面からファズ層を成長させる代わりに、Wの楕円体片から厚さ0.43 µmの完全に形成されたファズ構造を作製するという新しいアプローチを採用した。ファズの3次元構造に関する実験的知見の不足に対処するため、15 vol%のWからなる5つの異なる構造に対してHe照射をシミュレートし、各ケースにおけるHe貫入の変動を決定した。結果は、He貫入を決定する最も重要な因子は、Heイオンが妨げられずに移動できる開放チャネルの量であることを示している。W密度分布がほぼ均一な場合、Heのファズへの貫入は距離とともに指数関数的に減少し、したがって「半減深さ」によって記述できる。15 vol%のファズ構造では、半減深さは0.18 µmに達し得る。最近報告されたはるかに疎なファズ構造では、半減深さは1 µm以上になる可能性がある。これは、弾道論的なHe貫入が、ナノロッド内のHe拡散よりも、ファズを通るHeの移動のより可能性の高いシナリオであり、これまでに報告された最も厚いファズ層を通るHeの貫入の適切な説明を提供する可能性があることを意味する。さらに、貫入の深さに伴う指数関数的減少は、フルエンスに対する対数依存性をもたらし、これは実験と適合する。これらの結果と、反跳相互作用近似で行われた分子動力学計算との比較は、Wファズの結果が、同様に低いが均質な密度分布を持つWに対する従来の阻止能計算の結果とは質的に大きく異なることを示している。