This work investigates the role of surface topography in the sputtering process of tungsten (W) exposed to helium plasma using the GyM linear device. Surfaces with varying roughness, from sub-nanometer to approximately 1 µm, and different textures, including random-like and regular configurations, were studied. The samples were exposed to helium plasma of GyM at energies ranging from 30 to 350 eV, with a fluence of He+m−2 and temperatures well below the bulk W fuzz formation threshold of ≈700 ∘C. The interpretation of the experimental results was supported by simulations with the 3D Monte Carlo ERO2.0 code. Analysis with atomic force and scanning electron microscopy revealed that surface topography remained largely unchanged, while a nanoscale undulating surface structure formed on all samples at the highest incident energies. The effective sputtering yield () of tungsten, derived from mass and thickness loss data, was consistently lower than predictions from simulations by up to an order of magnitude, likely due to the dynamic retention of helium on the tungsten surface. On the other hand, both experimental results and modelling agree that surface topography's influence on sputtering can be entirely captured by the average surface inclination angle (), which unequivocally characterises each specimen, unlike the average roughness (). Moreover, values from both mass loss data and ERO2.0 simulations as a function of align well with a decreasing sigmoid fit function. A reduction of more than 50% was observed when comparing the flat surface to that with the highest , attributed by ERO2.0 to the increasing fraction of sputtered tungsten atoms being deposited on neighbouring surfaces. These findings underscore the importance of accurately calibrating simulation tools against linear plasma device experiments for predicting the lifetime of plasma-facing components in fusion reactors such as ITER and DEMO, emphasising the potential of structured tungsten surfaces to reduce erosion and impurity concentration in the plasma core.
本研究は、GyM線形装置を用いてヘリウムプラズマに曝露されたタングステン(W)のスパッタリング過程における表面トポグラフィーの役割を調査するものである。サブナノメートルから約1 µmまでの異なる粗さと、ランダム状および規則的な構成を含む異なるテクスチャーを持つ表面が研究された。試料は、30〜350 eVのエネルギー範囲のGyMヘリウムプラズマに、 He+m−2 のフルエンスで、バルクWファズ形成閾値の≈700 ∘Cをはるかに下回る温度で曝露された。実験結果の解釈は、3DモンテカルロERO2.0コードによるシミュレーションによって裏付けられた。原子間力顕微鏡および走査型電子顕微鏡による分析により、表面トポグラフィーは概ね変化しないままである一方、最高の入射エネルギーにおいて全ての試料上にナノスケールの起伏のある表面構造が形成されることが明らかになった。質量および厚さの減少データから導出されたタングステンの有効スパッタリング収量()は、シミュレーションによる予測よりも一貫して最大一桁低く、これはおそらくタングステン表面へのヘリウムの動的保持によるものである。一方、実験結果とモデリングの両方が、スパッタリングに対する表面トポグラフィーの影響は、平均表面傾斜角()によって完全に捉えられることで一致している。これは、平均粗さ()とは異なり、各試料を明確に特徴付ける。さらに、 の関数としての質量減少データとERO2.0シミュレーションの両方からの 値は、減少するシグモイドフィット関数とよく一致する。平坦な表面と最高の を持つ表面を比較すると50%以上の減少が観察され、ERO2.0によれば、これはスパッタリングされたタングステン原子が隣接する表面上に堆積する割合の増加に起因する。これらの発見は、ITERやDEMOのような核融合炉におけるプラズマ対向機器の寿命予測のために、線形プラズマ装置実験に対してシミュレーションツールを正確に較正することの重要性を強調するものであり、構造化されたタングステン表面が侵食とプラズマコア中の不純物濃度を低減する可能性を強調している。