In fusion devices, ion retention and sputtering of materials are major concerns in the selection of compatible plasma-facing materials (PFMs), especially in the context of their microstructural conditions and surface morphologies. We demonstrate how surface roughness changes ion implantation and sputtering of materials under energetic ion irradiation. Using a new, sophisticated 3D Monte Carlo (MC) code, IM3D, and a random rough surface model, ion implantation and the sputtering yields of tungsten (W) with a surface roughness varying between 0–2 µm have been studied for irradiation by 0.1–1 keV D+, He+ and Ar+ ions. It is found that both ion backscattering and sputtering yields decrease with increasing roughness; this is hereafter called the ion radiation albedo effect. This effect is mainly dominated by the direct, line-of-sight deposition of a fraction of emitted atoms onto neighboring asperities. Backscattering and sputtering increase with more oblique irradiation angles. We propose a simple analytical formula to relate rough-surface and smooth-surface results.
核融合装置において、イオン保持と材料のスパッタリングは、プラズマ対向材料（PFM）の選定における主要な関心事であり、特にその微細構造状態と表面形態の観点から重要である。我々は、高エネルギーイオン照射下における表面粗さがイオン注入と材料のスパッタリングをどのように変化させるかを実証する。新規の高精度3次元モンテカルロ（MC）コードであるIM3Dとランダム粗面モデルを用いて、0–2 µmの範囲で表面粗さを変化させたタングステン（W）に対する0.1–1 keVのD+、He+、およびAr+イオン照射によるイオン注入とスパッタリング収率を研究した。その結果、イオン後方散乱とスパッタリング収率はともに表面粗さの増加に伴って減少することが見出された。この現象は、ここではイオン放射アルベド効果と呼ぶ。この効果は主に、放出された原子の一部が隣接する突起部に直接視線方向に堆積することによって支配される。後方散乱とスパッタリングは、より斜めの照射角度で増加する。我々は、粗面と平滑面の結果を関連付ける簡潔な解析式を提案する。