Proto-MPEX (Materials Plasma Exposure eXperiment), a linear plasma device (LPD), using a high power radio frequency (RF) (⩾100 kW, 13.56 MHz) helicon plasma source, has suffered RF sheath-induced window erosion. The sputtered impurities from the window surface transport toward the downstream target affecting plasma-material interaction studies. The rectified sheath voltage formed was high enough to cause window erosion by light ions due to its low-Z components (e.g. Si3N4 and AlN). Hence, we are proposing impurity mitigation strategies, which involve the application of a Faraday screen to lower the rectified sheath voltage and the application of high-Z refractory coatings on the existing window plasma-facing surface. In this work, we report the erosion of two different coatings, i.e., tantalum oxide (Ta2O5) and hafnium oxide (HfO2) on a silicon nitride (Si3N4) window material under conditions of low-energy deuterium (D) ion impact, well below the Ta2O5 sputtering energy threshold (i.e. 250 eV). The test samples were RF-biased and exposed to a high D-ion fluence (∼1026 m−2) in Plasma Interaction with Surface Component Experimental Station (PISCES-A) LPD. The experimentally measured sputtering yields of the high-Z refractory coatings below the sputtering energy threshold of Ta2O5 indicate an increased erosion due to the plasma impurities, especially due to oxygen. Improving the vacuum level could reduce the oxygen impurities and increase the lifespan of the coated helicon window for plasma operation. Post-surface analysis indicates no preferential erosion of oxygen or enrichment of the high-Z surface component. This is likely due to an effective energy transfer from the impurity ion for sputtering of the high-Z component in the coating. With the reduced rectified sheath voltage at the window surface and improved vacuum conditions, the proposed high-Z refractory coatings offer a promising solution for reducing window erosion in future MPEX plasma operations at ORNL.
Proto-MPEX（Materials Plasma Exposure eXperiment）は、高出力無線周波数（RF）（⩾100 kW、13.56 MHz）ヘリコンプラズマ源を用いる線形プラズマ装置（LPD）であり、RFシース誘起による窓の侵食に悩まされてきた。窓表面からスパッタされた不純物は下流側ターゲットへ輸送され、プラズマ-材料相互作用研究に影響を及ぼす。形成された整流シース電圧は、その低Z成分（例：Si3N4およびAlN）のために軽イオンによる窓の侵食を引き起こすのに十分高いものであった。そこで我々は、整流シース電圧を低下させるためのファラデーシールドの適用と、既存の窓のプラズマ対向面への高Z高融点コーティングの適用を含む、不純物緩和戦略を提案している。本研究では、低エネルギー重水素（D）イオン衝撃条件下、すなわちTa2O5のスパッタリングエネルギー閾値（250 eV）を十分に下回る条件下での、窒化ケイ素（Si3N4）窓材料上の酸化タンタル（Ta2O5）および酸化ハフニウム（HfO2）という2種類のコーティングの侵食を報告する。試験サンプルはRFバイアスを印加され、Plasma Interaction with Surface Component Experimental Station (PISCES-A) LPDにおいて高Dイオンフルエンス（∼1026 m−2）に曝露された。Ta2O5のスパッタリングエネルギー閾値以下での高Z高融点コーティングの実験的に測定されたスパッタ収率は、プラズマ不純物、特に酸素による侵食の増加を示している。真空度を改善することで酸素不純物を低減し、コーティングされたヘリコン窓のプラズマ運転寿命を延ばすことができるだろう。曝露後の表面分析は、酸素の選択的侵食または高Z表面成分の濃縮を示していない。これはおそらく、コーティング中の高Z成分のスパッタリングに対する不純物イオンからの効果的なエネルギー移動によるものである。窓表面での整流シース電圧の低減と改善された真空条件により、提案された高Z高融点コーティングは、ORNLでの将来のMPEXプラズマ運転における窓の侵食を低減する有望な解決策を提供する。