The roughness-induced uneven erosion–deposition behaviour is widely observed on plasma-wetted surfaces in tokamaks. The three-dimensional (3D) angular distribution of background plasma and impurities is expected to have an impact on the local erosion–deposition characteristic on rough surfaces. The investigations of 13C deposition on rough surfaces in TEXTOR experiments have been re-visited by 3D treatment of surface morphology to evaluate the effect of 3D angular distribution and its connection with surface topography by the code package SURO/ERO/SDPIC. The simulation results show that the erosion/deposition patterns and evolution of surface topography are strongly affected by the azimuthal direction of incident flux. A reduced aspect ratio of rough surface leads to an increase in 13C deposition due to the enhanced trapping ability at surface recessions. The shadowing effect of rough surface has been revealed based on the relationship between 3D incident direction and surface topography properties. The more realistic surface structures used by 3D SURO can well reproduce the experimental results of the increase in the 13C deposition efficiency by a factor of 3–5 on a rough surface compared with a smooth one. The influence of sheath electric field on the local impact angle and resulting 13C deposition has been studied, which indicates that the difference in 13C deposition caused by sheath electric field can be alleviated by the use of more realistic surface structures. The difference in 13C deposition on smooth graphite and tungsten substrates has been specified by consideration of effects of kinetic reflection, enhanced physical sputtering and nucleation.
トカマクにおけるプラズマに曝される表面上では、粗さによって誘起される不均一なエロージョン–デポジション挙動が広く観察されている。背景プラズマおよび不純物の三次元(3D)角度分布は、粗面における局所的なエロージョン–デポジション特性に影響を与えると予想される。TEXTOR実験における粗面上での13Cデポジションの調査は、3D角度分布の効果と表面トポグラフィーとの関連性を評価するために、コードパッケージSURO/ERO/SDPICによる表面形態の3D処理によって再検討された。シミュレーション結果は、エロージョン/デポジションパターンおよび表面トポグラフィーの発展が、入射フラックスの方位角方向によって強く影響されることを示している。粗面のアスペクト比が小さくなると、表面の窪みでの捕捉能力が向上するため、13Cデポジションが増加する。粗面のシャドーイング効果は、3D入射方向と表面トポグラフィー特性との関係に基づいて明らかにされた。3D SUROで使用されるより現実的な表面構造は、粗面上での13Cデポジション効率が平滑面と比較して3〜5倍増加するという実験結果をよく再現できる。シース電場が局所的な入射角および結果として生じる13Cデポジションに及ぼす影響が研究されており、シース電場によって引き起こされる13Cデポジションの差は、より現実的な表面構造の使用によって緩和され得ることが示されている。平滑なグラファイトおよびタングステン基板上での13Cデポジションの差は、運動反射、増強された物理スパッタリング、および核形成の効果を考慮することによって明らかにされた。