GAMMA10プラズマ照射材料の表面分析

東北大金研
永田晋二，星勝也, 趙明、四竈樹男
筑波大プラズマセンター
中嶋洋輔, 坂本瑞樹，細井克洋，武田寿人,市村和也, 上田英明

筑波
下限数量以下の管理区域からの持ち出し

仙台
RI 取扱施設
RI 取扱施設

指定された管理区域外研究設備

RI として移動指定された管理
区域外研究設備指定された管理区域外研究設備

GAMMA‐
10
大洗

分析加速器

RI 取扱施設概要
タンデムミラープラズマ閉じ込め装置ガンマ10 の端部より流出する高熱流束を利用して，ダイバータ板の候補材料をプラズマに暴露し，その際に侵入したプラズマ粒子の深さ分布，並びに試料の表面状態を調べガンマ10における材料照射に関する基礎的データを収集することを目的とする。
２３年度はSiCを照射試料として水素捕捉量、はじき出し欠陥量、および不純物堆積層の組成分析が可能であることを確認した。
２４年度は、プラズマ条件や、材料（SiC,W)による表面照射効果の違いについて検討した。

GAMMA 10 西エンド部へ試料挿入

照射後の表面分析

ラザフォード後方散乱・イオンチャネリング （RBS/C）
堆積層の組成分析、各元素の濃度プロファイル
単結晶層中の格子欠陥、格子ひずみ
反跳粒子検出(Elastic Recoil Detection)
水素濃度分布
X-ray diffraction
走査電子顕微鏡観察

金属材料研究所・タンデム加速器
Duoplasmatron
ion source

Ion beam analysis
using 5 axis goniometer

Li charge exchange
canal

N2 gas for charge
strippingSF6 ~ 7x105 Pa

Ion implantation

4100mm

0.1 ~ 1.7 MV
Low energy ion gun
with a velociy filter
1 ~ 15 kV

Cs sputter ion source

High voltage
terminal

3300mm

3400mmIn-situ ion beam andParticle induced
optical analysis underrefracted X-ray
low-energy ion
fluorescence
irradiation

5200mm金研タンデム

照射後ＳｉＣ、Ｗ試料15mm

4HSiC single crystal(0001)

W single crystal(001)

CVD SiC on graphite

SiC表面に形成された堆積層

52x10Fe2O3A
プラズマパルス幅 (s)

Intensity

MoO3

B

51x10

Fe2O30.39

MoO30.391039

イオン温度(eV)

150

350

30

40506070802-theta

20

3x10-228

Areal density of deposited atoms (m )ショット数20

粒子束密度(m-2s-1)~1e21~3e22

フルエンス(m-2)~1e22~4e23

真空壁材、試料ホルダー材からスパッタされた金属元素が、残留ガス中の酸素を取り込んで ~nm厚の酸化物層を形成している。

AB
202x10201x100O

Fe, Ni, CrElements

MoW90

8.0 mm

Φ5.0
Φ5.0PlasmaMo
セラミックス

Φ8.03.5

試料

Backscattering yield

800

600

中央部分に多く堆積しているが、Mo開口部の陰になる部分にも回り込んでいる。

Fe, Cr, Ni
400

Mo200

W
0012345position

6789B

プラズマパルス
幅 (s)

0.39

0.39

ショット数

2839

150

350

粒子束密度(m-2s-1)~1e21~3e22

フルエンス
(m-2)

~1e22~4e23

SiFe
CrNiCO

1000

0100

捕捉水素、はじき出し原子の量は堆積量ほどの差異がみられない。

300

Channel number

213x10AB
212x10211x100HCElements

Mo
W

200-2

イオン温度(eV)

B
A

2000

0

Areal density of atoms (m )A

1 MeV RBS/C <0001> SiC
Backscattering yields

SiC捕捉水素量、損傷量

3000

Si

400

8.0 mm

Φ5.0
Φ5.0PlasmaMo
セラミックス

Φ8.0

3.5

試料

Backscattering yield

1500

Si--displaced

はじき出しSI原子は試料前面のＭｏ開口径より広く分布しており、中央よりもむしろ端のほうが、はじき出し量が多い。

1000

500

Fe, Cr, Ni
deposited0012345position

6789628

3

Cncentration of displaced Si atoms(10 /m )SiC表面のはじき出しSi分布

Displaced Si atoms in SiC
SRIM (350 eV)
4B (350 eV)
2A(150eV)
0-200204060

Depth in SiC (nm)

はじき出されたSi原子の分布は平均イオンエネルギーで予想される分布よりもはるかに深く、表面からおよそ 40 nm 程度まで広がっている。

SiC表面の水素濃度~5e26 H atoms~40 nm3283

H concentration (10 H/m )Retained H profiles in SiC crystals
BA
unirradiated2

10-1000100200

300

Depth in SiC (nm)

水素濃度分布ははじき出し分布と同様と予想され、照射条件Bの場合はすでに飽和に達している。

W単結晶の堆積層、損傷、水素捕捉
Ｗ＜００１＞後方散乱スペクトル

Ｗ＜００１＞反跳水素スペクトル

15000

100

W <001> channleing
10000

5000

200Fe300

W single crystal

80
Recoil H yields

Backscattering yieldWMo

irradiatedunirradiated604020400

Channel number

500

00100200
Channel number

照射痕から予想される通り堆積金属量は少ない。
Ｗ表面散乱ピークは増加しており、損傷が確認できる一方で、水素はほとんど捕捉されない。

300400SiC ,W における堆積、損傷、水素捕捉
21SiCW-2

Areal density of atoms (m )1.0x1020

5.0x100.0
H retention

deposition

W単結晶では堆積金属量、損傷量ともにSiC単結晶のおよそ１０分の１．
照射前後で水素濃度の変化はない。

damageまとめ
GAMMA 10 プラズマ照射 (0.4 sec x 30 shots, １０２３/m2)
SiCでは 堆積量（Fe,Cr, Ni, Mo) ： ～ １０２０ atoms/m2
損傷量： ～ １０２１ atoms/m2
水素捕捉量： ～ １０２１ H atoms/m2
堆積量は照射量とともに増加する傾向にある。
堆積層が厚くなると水素入射に伴う損傷は減る。
W では堆積量および損傷量はSiCのおよそ１０分の１、水素捕捉量は１００分の１以下。
２５年度：
照射条件：フラックス依存性
試料： タングステン単結晶、焼結材、イオン予照射