The paper reports first investigations of the effect of low-temperature helium (He) plasma exposure on the India specific reduced activation ferritic martensitic (IN-RAFM) steel. Experiments are performed in the CIMPLE-PSI device, over the variation of ion-flux (∼3 × 1022−23 m−2s−1) and target temperature (316 K−830 K), for ion-fluence up to 1.6 × 1026 m−2. Strong morphology changes have been observed, in particular, fiber-form surface structures with nanometer-sized grain structures, pinholes, and hollow fibers. Surface enrichment of tungsten up to 2.3 at.% was measured by energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX), which was supported by Rutherford backscattering spectrometry (RBS) measurements. This had happened because iron and chromium were preferentially sputtered out by the He ions. It is demonstrated that the porous, micrometer-sized surface inhomogeneities, produced under high ion-flux (≥8.0 × 1022 m−2s−1) and high target temperature (≥518 K), critically influence the shape of the RBS spectrum, which necessitates a revision of the data analysis procedure. Through optical emission spectroscopic observations, we demonstrate that the sputtering yield of the steel decreases with exposure time, primarily because of the formation of the porous surface microstructures and also due to the surface enrichment of the exposed samples with tungsten atoms. It is concluded that the formation of bubbles underneath the surface of RAFM, and their subsequent distortion and rupturing leads to the formation of fiber-form structures under the relatively high target temperature, high ion-flux irradiation conditions.
本論文は、インド固有の低放射化フェライト・マルテンサイト（IN-RAFM）鋼に対する低温ヘリウム（He）プラズマ曝露の効果に関する初の調査を報告するものである。実験はCIMPLE-PSI装置において、イオンフラックス（∼3 × 10^22−23 m^−2 s^−1）およびターゲット温度（316 K−830 K）を変化させ、イオンフルエンスは最大1.6 × 10^26 m^−2で実施された。顕著な形態変化が観察された。特に、ナノメートルサイズの結晶粒構造を持つ繊維状表面構造、ピンホール、および中空繊維が観察された。タングステンの表面濃縮が最大2.3 at.%まで、エネルギー分散型X線分光法（EDX）によって測定され、これはラザフォード後方散乱分光法（RBS）測定によって裏付けられた。これは、鉄とクロムがHeイオンによって優先的にスパッタリングされたために生じた。高イオンフラックス（≥8.0 × 10^22 m^−2 s^−1）および高ターゲット温度（≥518 K）条件下で生成される多孔質のマイクロメートルサイズの表面不均一性が、RBSスペクトルの形状に決定的な影響を与えることが実証され、これによりデータ解析手順の修正が必要となる。発光分光観察を通じて、鋼のスパッタリング収率が曝露時間とともに減少することを実証する。これは主に、多孔質表面微細構造の形成と、曝露試料の表面がタングステン原子で濃縮されることによる。RAFMの表面下におけるバブルの形成と、その後の変形および破裂が、比較的高いターゲット温度、高イオンフラックス照射条件下での繊維状構造の形成につながると結論付けられる。