The use of nitrogen seeding to reduce the edge plasma temperature has recently been successfully applied in ASDEX Upgrade. While the plasma performance was significantly improved compared with other seeding species such as Ar or Ne, questions remained as to the interaction of nitrogen with a tungsten first wall. In particular the formation of thick tungsten nitride layers with reduced melting temperature and increased physical sputtering was a concern. Therefore dedicated laboratory experiments have been performed to investigate the interaction of W surfaces with N plasmas. Tungsten coated Si samples were exposed to N ions from plasma and ion gun sources at energies from 20 eV to 10 keV and W surface temperatures from 300 to 750 K. After exposure to the N plasma with fluences of up to several 1023 N m−2 the N content in the samples was measured by nuclear reaction analysis. The sputter erosion was determined by measuring the thickness change of the W layer by Rutherford backscattering. The formation of W-nitride phases was investigated in separate XPS experiments where the samples were implanted in situ with kiloelectronvolt N ions. It was found that only very small fractions of N are accumulated on the W surface and that N is bound in a nitride state. At temperatures above 600 K the nitrides are no longer stable which further reduces the N uptake into the W. Moreover the accumulation of N on the surface leads to a decrease in W physical sputtering due to the lower W concentration at the surface.
窒素シーディングを用いた周辺プラズマ温度の低減は、最近ASDEX Upgradeにおいて成功裏に適用されている。プラズマ性能は、ArやNeなどの他のシーディング種と比較して大幅に改善されたが、窒素とタングステン第一壁との相互作用に関する疑問が残されていた。特に、融点が低下し物理スパッタリングが増大する厚い窒化タングステン層の形成が懸念された。そこで、W表面とNプラズマとの相互作用を調べるための専用の実験室実験が実施された。タングステン被覆Si試料は、20 eVから10 keVのエネルギー範囲のNイオンを、プラズマ源およびイオン銃を用いて、300から750 KのW表面温度条件下で照射された。最大で数×10²³ N m⁻²に及ぶフルエンスのNプラズマ照射後、試料中のN含有量は核反応分析法により測定された。スパッタリングによる侵食は、ラザフォード後方散乱分光法によるW層の厚さ変化の測定により決定された。窒化タングステン相の形成は、キロ電子ボルト級のNイオンをその場注入した別個のXPS実験において調査された。その結果、W表面に蓄積されるNの割合はごくわずかであり、Nは窒化物状態で結合していることが見出された。600 K以上の温度では、窒化物はもはや安定ではなくなり、WへのN取り込みがさらに減少することが示された。さらに、表面へのNの蓄積は、表面におけるW濃度の低下により、Wの物理スパッタリングの減少をもたらすことが明らかになった。