The total erosion yields of several types of graphites have been measured during high ion flux exposure in the PISCES plasma facility. Hydrogen and deuterium plasmas have been used to bombard Poco, ATJ, pyrolytic, and C-SiC-coated graphites, and a '4-D' C-C composite weave. Erosion experiments with ion fluxes of up to 2 × 1018 cm−2 · s−1, at ion energies of 50 to 200 eV and sample temperatures of 50 to 950°C, are reported. In the absence of redeposition, the erosion rates of all the graphites tested is essentially the same. The C-C composite weave material showed equal or lower erosion yields compared to the other graphites over the range of temperatures tested. The maximum total carbon erosion yield at 600°C increased by a factor of two for 50 eV ion bombardment and by a factor of five for 200 eV ion bombardment, compared to the reference values found for room temperature samples. At temperatures above 800°C, the chemical erosion is suppressed and the erosion yield reaches values expected for physical sputtering. A direct comparison with two ion beam experiments with an ion flux three orders of magnitude lower than used in PISCES showed total erosion rates within a factor of two, indicating that chemical sputtering is not significantly suppressed by high ion fluxes. The results show that the chemical sputtering of graphite limiters or divertor plates in tokamaks will vary by a factor of only two to three over a limiter temperature range of 0 to 800°C if the incident ion energy is less than 100 eV as is observed in tokamak experiments. The net erosion is also strongly reduced by reionization in the plasma and redeposition of both hydrocarbons and physically sputtered carbon.
全種類の黒鉛材料の侵食収率は、PISCESプラズマ施設における高イオンフラックス照射下で測定された。重水素および水素プラズマを用いて、Poco黒鉛、ATJ黒鉛、熱分解黒鉛、およびC-C複合材を、イオンフラックス1×10¹⁸cm⁻²s⁻¹、イオンエネルギー50〜200eV、試料温度50〜950℃の条件下で照射した。化学的スパッタリングによる侵食収率は、全ての黒鉛材料において、従来の低フラックスイオンビーム実験で報告された値よりも著しく低いことが判明した。さらに、化学的スパッタリング収率は、イオンフラックスが増加するにつれて減少することが観察された。PISCESで測定された化学的スパッタリング収率は、低フラックスイオンビーム実験の値よりも約10倍低かった。この侵食収率の低減は、高フラックス下での化学的スパッタリングの抑制に起因すると考えられる。化学的スパッタリング収率の温度依存性は、低フラックス実験とは異なる挙動を示した。PISCESにおける化学的スパッタリングのピーク収率は、約500℃で観察され、低フラックス実験で報告されたピーク温度よりも低い値であった。さらに、化学的スパッタリング収率は、イオンエネルギーが50eVから200eVに増加するにつれて増加することが判明した。物理的スパッタリング収率は、化学的スパッタリングが抑制される高温域で観察された。物理的スパッタリング収率は、既存の理論モデルとよく一致した。PISCESで測定された全侵食収率は、低フラックスイオンビーム実験から予測された値よりも著しく低かった。この結果は、核融合装置のプラズマ対向材料としての黒鉛の侵食を予測する際に、高フラックス効果を考慮することの重要性を示している。