Liquid metals have been proposed as potential divertor materials for future fusion reactors, and surface stability is a vital requirement for such liquid metal divertors (LMDs). Capillary porous structures (CPSs) have been applied to the design of liquid metal targets as they can avoid MHD instability by surface tension and provide a stable liquid surface. However, our previous work has found that liquid Sn surfaces can be very unstable in hydrogen plasma even in cases without magnetic fields. To increase our understanding of the interaction of liquid Sn surfaces with plasmas, in this work we systematically investigated the surface behaviors of liquid Sn in different plasma exposures in linear plasma devices, either in Nano-PSI at low flux and without magnetic field, or in Magnum-PSI with strong magnetic field strength. Surface instability leading to droplet ejection has been observed and recorded in the experiments. The ejection of droplets is not dependent on magnetic fields and plasma currents, and is found to be dependent on the plasma species and plasma flux and surface temperature. The CPS meshes applied in the experiments cannot completely avoid droplet ejection but can decrease droplet size and lower droplet production rate. In H plasma, droplets were observed once Sn melted even at low fluxes. For the case of N plasma, the appearance of droplets started at a temperature marginally higher than tin–nitride decomposition temperature. Only at high fluxes (∼1023–24 m−2 s−1) and high temperatures (900–1000 °C) were a few droplets observed in Ar or He plasma. For all cases, the ejection velocities of most droplets were around 1–5 m s−1. Bubble formation, growth and bursting in the plasma-species-supersaturated liquid Sn is proposed as the primary mechanism for the ejection of droplets. Plasma-enhanced solubility is responsible for the achievement of H/N-supersaturated liquid Sn, while high plasma flux implantation is responsible for Ar/He-supersaturated liquid Sn. Once the concentration of plasma species in liquid Sn reaches a certain supersaturation level, nucleation and growth of bubbles occur due to the desorption of dissolved plasma species from the liquid Sn. The formation and bursting of bubbles have been directly observed in the experiment. The sizes of most bubbles were estimated in the range of 40–400 μm or even smaller. A bubble growth model based on Sievert's and Henry's laws is invoked to describe bubble growth in liquid Sn.
液体金属は、将来の核融合炉におけるダイバータ材料の候補として提案されており、表面安定性はそのような液体金属ダイバータ（LMD）にとって極めて重要な要件である。キャピラリ多孔構造（CPS）は、表面張力によってMHD不安定性を回避し、安定した液体表面を提供できることから、液体金属ターゲットの設計に応用されてきた。しかしながら、我々のこれまでの研究では、磁場がない場合であっても、液体Sn表面は水素プラズマ中で非常に不安定になり得ることが明らかになっている。液体Sn表面とプラズマとの相互作用の理解を深めるため、本研究では、線形プラズマ装置において、低フラックスかつ磁場なしのNano-PSI、あるいは強磁場下のMagnum-PSIという異なるプラズマ曝露条件下での液体Snの表面挙動を系統的に調査した。実験において表面不安定性による液滴放出が観察され、記録された。液滴の放出は磁場やプラズマ電流に依存せず、プラズマ種、プラズマフラックス、および表面温度に依存することが明らかになった。実験に適用したCPSメッシュは液滴放出を完全に回避することはできなかったが、液滴サイズを減少させ、液滴生成率を低下させることができた。水素プラズマ中では、低フラックスであってもSnが溶融すると直ちに液滴が観察された。窒素プラズマの場合、液滴の出現はスズ窒化物の分解温度よりわずかに高い温度で始まった。アルゴンまたはヘリウムプラズマ中では、高フラックス（∼10²³–10²⁴ m⁻² s⁻¹）かつ高温（900–1000 °C）の場合にのみ、わずかな液滴が観察された。すべてのケースにおいて、ほとんどの液滴の放出速度は約1–5 m s⁻¹であった。プラズマ種で過飽和になった液体Snにおける気泡の形成、成長、および破裂が、液滴放出の主要なメカニズムとして提案される。H/N過飽和液体Snの達成にはプラズマによる溶解度の向上が関与し、一方Ar/He過飽和液体Snの達成には高フラックスのプラズマ注入が関与する。液体Sn中のプラズマ種の濃度が特定の過飽和レベルに達すると、溶解したプラズマ種の脱離により気泡の核生成と成長が発生する。実験では気泡の形成と破裂が直接観察された。ほとんどの気泡のサイズは40–400 μmの範囲、あるいはそれ以下であると推定された。液体Sn中の気泡成長を記述するために、ジーベルト則とヘンリー則に基づく気泡成長モデルが適用される。