To determine the effect of pre-existing defects on helium-vacancy cluster nucleation and growth, tungsten samples were self-implanted with 1 MeV tungsten ions at varying fluences to induce radiation damage, then subsequently exposed to helium plasma in the MAGPIE linear plasma device. Positron annihilation lifetime spectroscopy was performed both immediately after self-implantation, and again after plasma exposure.After self-implantation vacancies clusters were not observed near the sample surface (<30 nm). At greater depths (30–150 nm) vacancy clusters formed, and were found to increase in size with increasing W-ion fluence. After helium plasma exposure in the MAGPIE linear plasma device at ~300 K with a fluence of 1023 He-m−2, deep (30–150 nm) vacancy clusters showed similar positron lifetimes, while shallow (<30 nm) clusters were not observed. The intensity of positron lifetime signals fell for most samples after plasma exposure, indicating that defects were filling with helium. The absence of shallow clusters indicates that helium requires pre-existing defects in order to drive vacancy cluster growth at 300 K.Further samples that had not been pre-damaged with W-ions were also exposed to helium plasma in MAGPIE across fluences from 1 × 1022 to 1.2 × 1024 He-m−2. Samples exposed to fluences up to 1 × 1023 He-m−2 showed no signs of damage. Fluences of 5 × 1023 He-m−2 and higher showed significant helium-cluster formation within the first 30 nm, with positron lifetimes in the vicinity 0.5–0.6 ns. The sample temperature was significantly higher for these higher fluence exposures (~400 K) due to plasma heating. This higher temperature likely enhanced bubble formation by significantly increasing the rate interstitial helium clusters generate vacancies, which is we suspect is the rate-limiting step for helium-vacancy cluster/bubble nucleation in the absence of pre-existing defects.
既存欠陥がヘリウム-空孔クラスターの核形成と成長に及ぼす影響を調べるため、タングステン試料に1 MeVタングステンイオンを様々なフルエンスで自己注入して放射線損傷を誘起し、その後MAGPIE線形プラズマ装置においてヘリウムプラズマに曝露した。陽電子消滅寿命分光法は、自己注入直後とプラズマ曝露後の両方で実施した。自己注入後、試料表面近傍（<30 nm）では空孔クラスターは観察されなかった。より深い深さ（30–150 nm）では空孔クラスターが形成され、Wイオンフルエンスの増加に伴ってサイズが増大することがわかった。MAGPIE線形プラズマ装置において、~300 K、フルエンス10^23 He-m−2のヘリウムプラズマ曝露後、深部（30–150 nm）の空孔クラスターは同様の陽電子寿命を示した一方、浅部（<30 nm）のクラスターは観察されなかった。プラズマ曝露後、ほとんどの試料で陽電子寿命シグナルの強度が低下し、欠陥がヘリウムで満たされていることを示した。浅部クラスターが存在しないことは、300 Kでの空孔クラスター成長を駆動するためにヘリウムが既存の欠陥を必要とすることを示している。さらに、Wイオンで事前損傷を与えていない追加の試料も、MAGPIEにおいて1 × 10^22～1.2 × 10^24 He-m−2のフルエンス範囲でヘリウムプラズマに曝露された。1 × 10^23 He-m−2までのフルエンスに曝露された試料は、損傷の兆候を示さなかった。5 × 10^23 He-m−2以上のフルエンスでは、最初の30 nm以内に有意なヘリウムクラスター形成が見られ、陽電子寿命は0.5～0.6 ns付近であった。これらの高フルエンス曝露では、プラズマ加熱により試料温度が著しく高かった（~400 K）。この高温は、格子間ヘリウムクラスターが空孔を生成する速度を大幅に増加させることによってバブル形成を促進した可能性が高い。この速度が、既存欠陥がない場合のヘリウム-空孔クラスター/バブル核形成の律速段階であると我々は推測している。