We present analysis and modeling of Al sputtering and ionization in attached, low-power L-mode plasmas near the outer divertor strike point of the DIII-D tokamak. Al serves as a useful proxy for Be, the low-Z main wall material for ITER and JET that will undergo significant divertor plasma contact upon migrating from the first wall to the divertor. Al is easily distinguishable from background sources in DIII-D (namely C and B), has a high physical sputtering yield similar to Be, and has a long ionization mean free path compared to its gyro radius (). Using neutral Al emission imaging techniques, we measured a toroidal and radial asymmetry in the shape of the photo-emission plumes of sputtered neutral Al that was consistent with previously observed asymmetry in the distribution of redeposited Al in these experiments. We propose that the main cause of the emission and redeposition asymmetry is due to a sputtering anisotropy caused by near-grazing angle incident ions. The observed emission asymmetry was reproduced using a simple emission/ionization model that included full angular distributions of sputtering yield and energy calculated by SDTRIM.SP, but not when symmetric, mono-energetic cosine sputtering distributions were assumed. We used an ion orbit tracking model to calculate the distributions of ion impact energies through the potential gradient in the magnetic pre-sheath and Debye sheath. We found that with the magnetic field pitch angle (1.5°–2° with respect to the surface plane), the majority of ions strike the surface at <15° with respect to the surface plane, leading to angular sputtering yield and energy distributions with significant forward-scattering bias. We also observed surface microstructure consistent with directional sputtering and ion flux shadowing expected from the calculated ion incidence angles.
我々は、DIII-Dトカマクの外側ダイバータ打撃点近傍の、付着した低出力LモードプラズマにおけるAlスパッタリングと電離の解析とモデリングを提示する。Alは、ITERおよびJETの低Z主壁材料であり、第一壁からダイバータへの移動に際して重大なダイバータプラズマ接触を受けるBeの有用な代替物として機能する。Alは、DIII-Dにおける背景源（すなわちCおよびB）から容易に区別でき、Beと同様の高い物理スパッタリング収率を有し、そのジャイロ半径（）と比較して長い電離平均自由行程を有する。中性Al発光イメージングを用いて、我々は、スパッタされた中性Alの光放出プルームの形状におけるトロイダルおよびラジアル非対称性を測定した。これは、これらの実験における再堆積Alの分布において以前に観察された非対称性と一致していた。我々は、発光および再堆積の非対称性の主な原因が、ほぼ掠り角で入射するイオンによって引き起こされるスパッタリング異方性によるものであると提案する。観測された発光非対称性は、SDTRIM.SPによって計算されたスパッタリング収率およびエネルギーの完全な角度分布を含む単純な発光/電離モデルを用いて再現されたが、対称的な単一エネルギーの余弦スパッタリング分布を仮定した場合には再現されなかった。我々は、イオン軌道追跡モデルを用いて、磁気プレシースおよびデバイシースにおける電位勾配を通るイオン衝撃エネルギーの分布を計算した。我々は、磁場ピッチ角（表面平面に対して1.5°–2°）では、イオンの大部分が表面平面に対して15°未満で表面に衝突し、その結果、有意な前方散乱バイアスを伴う角度スパッタリング収率およびエネルギー分布が生じることを見出した。我々はまた、計算されたイオン入射角から予想される指向性スパッタリングおよびイオンフラックスシャドウイングと一致する表面微細構造を観察した。