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Enhanced fuzzy tungsten growth in the presence of tungsten deposition

Patrick McCarthy, Dogyun Hwangbo, Matthew Bilton, Shin Kajita, James W. Bradley2020年被引用 25Nuclear FusionIF 3出版社

Using a magnetron sputtering device operating in helium, fibre-form 'fuzz' has been grown on tungsten samples in the presence of a significant auxiliary source of depositing tungsten. In this system, fuzzy tungsten was grown over a range of helium ion fluences, , sample temperatures and helium ion energies, but with operator control over the tungsten atom-to-helium ion arrival rate ratio at the sample (from 0.003 to 0.009). In the presence of tungsten deposition, it appears that the fuzz growth has two distinct stages: at low to intermediate helium ion fluence the fuzzy layer thickness follows the expected diffusive law augmented by approximately the 'effective' thin film thickness of deposited tungsten; at high fluences the fuzz thickness increases very steeply with . These observations are explained through the increase in the porosity of the fuzzy layer as it reaches thicknesses larger than ∼1 m. It was observed that during the second phase of fuzz growth the thickness was highly dependent on both the sample temperature and the tungsten atom-to-helium ion arrival rate ratio. For the same helium ion exposure, an increase in the sample temperature from 1050 to 1150 K lead to a six-fold increase in the fuzzy layer thickness, whilst increasing the tungsten atom-to-helium ion arrival rate ratio over the full range produced a two-fold increase in the thickness. Microscopy and electron diffraction studies of the grown structures show clearly helium bubbles within polycrystalline tendrils.

日本語訳

ヘリウム中で動作するマグネトロンスパッタリング装置を用いて、タングステン製の試料上に、顕著なタングステン供給源の存在下で繊維状の「ファズ」を成長させた。この系では、タングステンファズは、広範囲のヘリウムイオンフルエンス、試料温度、およびヘリウムイオンエネルギーにわたって成長させたが、タングステン原子とヘリウムイオンの到着率比(0.003から0.009)は操作者が制御した。タングステン堆積の存在下では、ファズ成長には2つの明確な段階があることが明らかになった。低から中程度のヘリウムイオンフルエンスでは、ファズ層の厚さは、堆積したタングステンの「実効的な」薄膜厚さによって増強された予想される拡散則に従う。高フルエンスでは、ファズの厚さは急激に増加する。これらの観察結果は、ファズ層が約1μmより厚くなると多孔度が増加することによって説明される。第2の成長段階では、厚さは試料温度とタングステン原子とヘリウムイオンの到着率比の両方に強く依存することが観察された。同じヘリウムイオンフルエンスに対して、試料温度を1050Kから1150Kに上昇させるとファズ層の厚さは6倍増加し、一方、タングステン原子とヘリウムイオンの到着率比を全範囲にわたって増加させると厚さは2倍増加した。成長した構造の顕微鏡および電子回折研究により、多結晶ウィスカー内にヘリウムバブルが明確に存在することが示された。

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