EAST 托卡馬克鎢雜質(zhì)上下不對稱性分布的實驗研究*

趙偉寬 張凌 程云鑫 周呈熙 張文敏 段艷敏 胡愛蘭 王守信 張豐玲 李政偉4) 曹一鳴4) 劉海慶

1) (中國科學院等離子體物理研究所,合肥 230026)

2) (中國科學技術(shù)大學研究生院科學島分院,合肥 230026)

3) (中國科學技術(shù)大學,合肥 230026)

4) (安徽大學物質(zhì)科學與信息技術(shù)研究院,合肥 230601)

1 引言

在磁約束聚變裝置中,金屬鎢(W)和鉬(Mo)由于其高熱導率、高濺射閾值以及低氚(T)滯留率等特性常被用作面向等離子體部件(plasma facing component,PFC)材料.EAST 全超導托卡馬克第一壁選用了鉬[1],同時在2014 年和2020 年,上、下偏濾器分別由石墨偏濾器升級成鎢偏濾器.在偏濾器位形下,等離子體的熱流和粒子流會沿著刮削層輸運至偏濾器靶板.如果熱流和粒子流超過閾值,靶板將不可避免地被濺射,從而產(chǎn)生鎢雜質(zhì)[2].這些鎢雜質(zhì)進入等離子體區(qū)域后被逐步電離,并被輸運到等離子體芯部.由于鎢是原子序數(shù)較高的重金屬雜質(zhì)(Z=74),輸運至等離子體約束區(qū)的鎢雜質(zhì)會輻射出大量能量,進而嚴重影響等離子體的約束性能,甚至導致放電破裂[3,4].因此,鎢雜質(zhì)輸運及控制研究是磁約束聚變裝置穩(wěn)態(tài)高約束運行相關(guān)的最重要的研究課題之一.

雜質(zhì)離子輸運可以分為徑向輸運和極向輸運.近年來,由極向輸運帶來的雜質(zhì)在磁面上不均勻分布現(xiàn)象引起了研究者們很大的興趣.基于EAST上所搭建診斷系統(tǒng)的特點,本文將著重分析EAST上鎢雜質(zhì)的上下不對稱分布,即雜質(zhì)的密度分布及其發(fā)射的線輻射譜線在垂直方向的不對稱(即關(guān)于圖1 中磁軸所在中平面的不對稱).在EAST 電子溫度和密度的參數(shù)范圍,所觀測到的雜質(zhì)線輻射強度的上下不對稱分布直接反映了雜質(zhì)密度的上下不對稱分布.具體分析和說明詳見第2 節(jié),下文將不加區(qū)分地使用“上下不對稱分布”同時指代雜質(zhì)密度和輻射強度的上下不對稱分布.低Z雜質(zhì)上下不對稱分布現(xiàn)象在多個磁約束裝置中均有觀測,Alcator-A 裝置觀測到OVI 線輻射亮度的上下不對稱性只會出現(xiàn)在較高的電子密度下[5].PDX 裝置觀測到CIII 和CV 線輻射不對稱方向相同,但是CIII 的不對稱程度強于CV[6].C-Mod 研究了氬(Ar)雜質(zhì)輻射不對稱性與等離子體參數(shù)的依賴關(guān)系,發(fā)現(xiàn)上下不對稱性正比于W7-X 仿星器上開展了雜質(zhì)總輻射強度的不對稱性的實驗研究,發(fā)現(xiàn)不對稱程度隨著等離子體弦平均電子密度和輻射損失比例frad的增大而增強[8].這些實驗觀測顯示,雜質(zhì)的上下不對稱分布與背景等離子體參數(shù),尤其是主等離子體的溫度密度參數(shù),具有很強的關(guān)聯(lián)性.在上述實驗中,雜質(zhì)離子分布較多的一側(cè)與離子漂移方向相反,并且隨著縱場方向的反轉(zhuǎn)而反轉(zhuǎn).此外,不同裝置上開展了雜質(zhì)上下不對稱性分布的機理研究.PDX,W7-X 等多個裝置上的實驗數(shù)據(jù)較好地驗證了主離子與雜質(zhì)離子的摩擦力在雜質(zhì)不對稱分布中起重要作用,進而說明新經(jīng)典理論[9]在雜質(zhì)不對稱分布機制中的主導地位.到目前為止,受限于裝置內(nèi)的固有雜質(zhì)種類以及診斷觀測能力,國際裝置上針對雜質(zhì)上下不對稱分布觀察的主要是位于等離子體邊界(ρ ≥0.8,其中ρ 表示歸一化的磁面坐標,磁面坐標一般選用磁面所包圍的極向磁通)的低Z雜質(zhì),缺乏位于等離子體主約束區(qū)的高Z金屬雜質(zhì)離子上下不對稱分布的實驗觀測.對于低Z雜質(zhì)來說,環(huán)向旋轉(zhuǎn)的影響往往可以忽略,然而對于高Z雜質(zhì)的磁面不均勻分布,環(huán)向旋轉(zhuǎn)則具有決定性的影響[10,11].

圖1 EAST 極向截面、上單零位形(綠色線為最外磁面)以及3 套極紫外光譜儀的觀測弦(湛藍色為EUV_Short,紅色為EUV_Long,藍色為EUV_Long2)Fig.1.Poloidal cross section of EAST tokamak with upper single null (USN) plasma and the lines of sight (LOS) of three EUV spectrometers (azure blue is EUV_Short,red is EUV_Long,blue is EUV_Long2).

因此,針對國際上高Z雜質(zhì)的極向磁面上下不對稱分布研究的空白,尤其是針對需要考慮環(huán)向轉(zhuǎn)動的復雜情況,本文依托EAST 托卡馬克裝置,首次利用工作在極紫外(extreme ultraviolet,EUV)波段(30—520 ?)的高性能空間分辨光譜儀對芯部區(qū)域(ρ ≤ 0.35)鎢雜質(zhì)離子分布的上下不對稱性開展實驗研究.

2 實驗裝置介紹

EAST (experimental advanced superconducting tokamak)是全超導托卡馬克裝置,等離子體電流Ip≤ 1.0 MA,電流方向通常為俯視逆時針,縱場強度Bt≤ 3.5 T,縱場方向可設(shè)置為俯視順時針或俯視逆時針.EAST 可以根據(jù)實驗需求靈活調(diào)整上單零、下單零及雙零放電位形.此外,EAST上下偏濾器靶板上配備多個充氣口,供實驗中充入氖氣(Ne)、氬氣(Ar)或氘化甲烷(CD4)等中低Z雜質(zhì)氣體,開展輻射偏濾器實驗研究[12].EAST 裝置還發(fā)展了多種輔助加熱系統(tǒng),包括低雜波(lower hybrid wave,LHW)加熱系統(tǒng)[13]、電子回旋共振(electron cyclotron resonance heating,ECRH)加熱系統(tǒng)[14]、離子回旋共振(ion cyclotron resonance heating,ICRH)加熱系統(tǒng)[15]以及中性束注入(neutral beam injection,NBI)加熱系統(tǒng).EAST 共有兩套NBI 注入系統(tǒng),2021 年以前為分別安裝在A 窗口和F 窗口的(等離子體電流)同向束(NBI1)和反向束(NBI2)[16].2021 年以后NBI2 調(diào)整為同向束.

為了監(jiān)測等離子體中的雜質(zhì)行為以及研究雜質(zhì)輸運過程,截至2019 年EAST 上發(fā)展了兩套快速極紫外譜儀(分別工作在20—500 ?和8—138 ?的波段范圍,稱為EUV_Long[17]和EUV_Short[18],時間分辨為5 ms)和一套空間分辨極紫外譜儀(工作在30—520 ?的波段范圍,稱為EUV_Long2[19],時間分辨為50—200 ms).3 套譜儀均為掠入射平場成像光譜儀,探測器采用背照式電荷耦合器件(charge-coupled device,CCD)記錄光譜圖像.本文中EUV_Long2 譜儀觀測范圍為–23.5 ≤Z≤25 cm(ρ ≤ 0.35),即近似上下對稱,空間分辨率為ΔZ=2.8 cm;本實驗中觀測波段設(shè)在42—77 ?,可以覆蓋到由W24+—W45+構(gòu)成的鎢未分解躍遷系(tungsten unresolved transition array,W-UTA).本文中孤立譜線的強度是對該條譜線所占的每個像素點計數(shù)值扣除背景計數(shù)值(該譜線邊界像素點的計數(shù)值)后累計所得.

在EAST 等離子體物理實驗中,如圖2 所示,所觀測到的極向空間鎢雜質(zhì)離子特征線輻射強度剖面的形狀大致可以分為峰化分布(圖2(a))和中空分布(圖2(b)—(d)).對于雙峰分布,將輻射剖面上、下半空間峰值點處的強度之比定義為不對稱性因子Iu/Id,Iu/Id與1 的大小比較可以表征不對稱方向,如圖2(b)—(d)所示.此外,Iu/Id的值越偏離1說明不對稱程度越強.本文主要研究了以W27+51.457 ?,W32+52.2 ?離子譜線為代表的鎢雜質(zhì)離子特征線輻射上下不對稱性.選取它們的主要原因有: 1) W27+和W32+的剖面在上下半空間兩個峰值點均在EUV_Long2 的垂直觀測范圍之內(nèi);2)這兩條譜線相對獨立,不容易受其他譜線干擾,有利于計算得到精確的譜線強度.需要指出,不同離化度(電離態(tài),即q的大小)的鎢雜質(zhì)離子位于不同的溫度區(qū)間,因此單一q的鎢雜質(zhì)離子在徑向上的分布是較為局域的,故選取弦積分信號并不會對上下不對稱分布的測量帶來很大的誤差.

圖2 EAST 上不同類型的典型雜質(zhì)輻射強度剖面 (a)芯部峰化分布;(b)近似對稱(Iu/Id=1)的雙峰分布;(c)不對稱性朝上(Iu/Id >1)的雙峰分布;(d)不對稱性朝下(Iu/Id <1)的雙峰分布,其中灰色虛線表示磁軸 ρ=0 所在的中平面位置Fig.2.Typical vertical profiles of normalized intensity of impurity lines: (a) Peaked profile;(b) symmetrical profile with double peaks (Iu/Id=1);(c) upward asymmetrical profile (Iu/Id >1);(d) downward asymmetrical profile (Iu/Id <1).The gray dash line indicates the mid-plane where ρ=0 locates.

磁約束聚變裝置雜質(zhì)特征線輻射的極向不對稱性直接反映了雜質(zhì)離子密度的極向不對稱性.等離子體中某種雜質(zhì)的特定電離態(tài)離子密度nq+與其特征線輻射的弦積分強度I有如下關(guān)系:

其中Z代表觀測弦的位置,l代表觀測弦的路徑,是譜線的局部發(fā)射率,PEC 是依賴電子溫度Te和電子密度ne的局部光子發(fā)射系數(shù).通常情況下,上、下半空間以磁軸對稱的位置處于同一磁面,滿足Te和ne均勻分布的假定;而即使在不對稱分布下,對稱位置處的Te和ne差異小(<10%),帶來的PEC 值的差異很小.因此雜質(zhì)離子特征線輻射強度的差異直接反映了該雜質(zhì)離子密度(nq+)的差異.本文直接用雜質(zhì)離子特征線輻射的弦積分強度分布的不對稱性表征雜質(zhì)離子密度分布的不對稱性.

除了雜質(zhì)時間演化和分布的觀測外,等離子體電子密度和電子溫度分別由氰化氫(HCN)干涉儀和電子回旋(ECE)外差輻射計測得.等離子體芯部旋轉(zhuǎn)速度由電荷復合交換光譜系統(tǒng)測得.

3 鎢雜質(zhì)離子線輻射強度上下不對稱性實驗研究

圖3 所示為EAST 典型高約束模(H-mode)放電(#93801)波形圖.該炮為上單零位形,縱場方向為俯視順時針,離子B×?B漂移方向向下.輔助加熱功率如下:PLHW=0.8—2.4 MW,PECRH=0.8 MW,PNBI1L=1.5 MW. 當t=2.2 s LHW功率提高到2.0 MW (圖3(b))后,等離子體立刻進入H-mode,如圖3(f)Dα信號所示.在EAST 典型H-mode 放電中,L-H 轉(zhuǎn)換后的1—2 s 內(nèi)存在一個自發(fā)的粒子約束加強和逐漸減弱的過程.當同向NBI 于t=3.0 s 注入(圖3(c))后出現(xiàn)了明顯的粒子排出效果,ne從2.9×1019m–3下降到2.3×1019m–3,鎢雜質(zhì)輻射也迅速下降;而當t=4.0 s從O 窗口上外偏濾器靶板充氣口注入CD4氣體(圖3(e))后,密度逐漸回升并在t=4.5 s 之后維持在3.4×1019m–3.從圖3(d)可以看出,CD4加入之后,CVI 線輻射強度迅速上升并于t=4.5 s 達到峰值,之后輻射強度保持相對穩(wěn)定.NBI 注入后,電荷復合交換光譜可提供芯部旋轉(zhuǎn)的測量,如圖3(i)所示,NBI 注入后芯部旋轉(zhuǎn)速度維持在約50 km/s,而在充氣后迅速下降至約20 km/s,這表明上外偏濾器充入CD4 氣體后大幅降低了等離子體的環(huán)向旋轉(zhuǎn)速度.

圖3 EAST #93801 放電波形圖 (a)等離子體電流Ip;(b)低雜波加熱功率PLHW 及電子回旋加熱功率PECRH;(c)中性束加熱功率PNBI1L;(d)弦平均電子密度ne 和芯部電子溫度Te0;(e) O 窗口上外充氣口的充氣閥門電壓;(f)上偏濾器Dα 信號;(g) CVI (C5+,33.73 ?)線輻射強度;(h)鎢未分解躍遷系輻射強度(W-UTA,45—70 ?);(i)芯部環(huán)向旋轉(zhuǎn)速度Vt0;(j) W27+ 51.457 ?,W32+ 52.2 ?線輻射不對稱性因子Iu/IdFig.3.Time evolution of (a) plasma current,Ip;(b) heating power from lower hybrid wave,PLHW,and electron cyclotron wave,PECRH;(c) heating power from neutral beam injection,PNBI1L;(d) line-averaged electron density,ne,and central electron temperature,Te0;(e) valve voltage of upper outboard gas puff inlet located at window “O”;(f) Dα signal of upper divertor;(g) line emission intensity of CVI (C5+ at 33.73 ?);(h) line emission intensity of tungsten in unresolved transition array (W-UTA at 45–70 ?);(i) central toroidal rotation velocity,Vt0;(j) asymmetry factor Iu/Id of line emission intensity for W27+ at 51.457 ?,W32+ at 52.2 ? for EAST discharge #93801.

為了研究不同階段鎢雜質(zhì)離子分布的上下不對稱性變化,選擇了同向NBI 注入前后、偏濾器充氣前后的3 個時間段t1=2.4—2.6 s,t2=3.6—3.8 s 和t3=5.0—5.2 s,比較了上述3 個時間段鎢雜質(zhì)不同電離態(tài)特征線輻射W27+51.457 ?,W32+52.2 ?及W44+60.93 ?的強度剖面,如圖4 所示.其中圖4(a)—(c)為歸一化輻射強度;圖4(d)—(f)為原始輻射強度.對比不同電離態(tài)鎢離子特征線輻射強度的剖面分布,可以發(fā)現(xiàn)W27+,W32+鎢離子的特征線輻射強度呈現(xiàn)出明顯的雙峰分布,而W44+鎢離子由于靠近芯部,特征線輻射強度的雙峰非常接近,峰值強度相互影響.在純射頻波加熱時(t1時間段),W27+51.457 ?,W32+52.2 ?線輻射上半空間峰值強度略大于下半空間.在同向束NBI注入之后(t2時間段)線輻射的上半空間峰值強度遠大于下半空間,上下不對稱性明顯增強,輻射較強的一側(cè)背離離子B×?B漂移方向.在CD4氣體注入之后(t3時間段),一方面增加了等離子體的總粒子數(shù);另一方面,注入的粒子也與等離子體發(fā)生電荷交換,導致動量損失進而降低NBI 力矩[20],上半空間峰值輻射強度略小于下半空間輻射強度,即上下不對稱性發(fā)生了反轉(zhuǎn).圖3(f)顯示了W27+和W32+離子線輻射強度分布上下不對稱因子Iu/Id隨時間的演化,可以看出,Iu/Id均由約1.10 迅速下降至約0.97,也顯示不對稱方向發(fā)生了反轉(zhuǎn).上述現(xiàn)象表明,鎢雜質(zhì)離子上下不對稱性分布與等離子體環(huán)向旋轉(zhuǎn)強相關(guān).這里需要說明的是,鎢雜質(zhì)在不同時刻下的徑向分布的不同導致了圖4 中鎢雜質(zhì)在實驗室Z坐標下的上下不對稱分布,其峰值位置有所不同.

圖4 EAST #93801 在t1=2.4—2.6 s (藍色)、t2=3.6—3.8 s (紅色)、t3=5.0—5.2 s (綠色)時間段內(nèi)鎢不同電離態(tài)線輻射剖面(a),(d) W27+ 51.457 ?;(b),(e) W32+ 52.2 ?;(c),(f) W44+ 60.93 ?.(a)—(c)為歸一化輻射強度,(d)—(f)為原始光譜強度計數(shù)Fig.4.Vertical profiles of line emission intensity for (a),(d),W27+ 51.457 ?;(b),(e),W32+ 52.2 ?;(c),(f) W44+ 60.93 ? during t1=2.4–2.6 s (blue),t2=3.6–3.8 s (red) and t3=5.0–5.2 s (green) in EAST discharge # 93801.Normalized line intensity Inor in (a)–(c),and raw line intensity I in (d)—(f) .

為了進一步研究離子B×?B漂移向下的相似條件下鎢雜質(zhì)離子輻射(密度)分布上下不對稱性與環(huán)向旋轉(zhuǎn)的關(guān)系,對2019 年度EAST 實驗中縱場方向為俯視順時針(離子B×?B漂移向下)下的上單零位形的高約束模(H-mode)放電數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析.環(huán)向旋轉(zhuǎn)用芯部旋轉(zhuǎn)速度值表征,選擇W32+52.2 ?線輻射研究鎢雜質(zhì)離子上下不對稱性.統(tǒng)計結(jié)果如圖5 所示,可以看出,當芯部旋轉(zhuǎn)速度Vt0≥ 30 km/s 時,不對稱性因子Iu/Id>1(1.03—1.13),此時W32+離子輻射較強的一側(cè)背離離子B×?B漂移方向;隨著芯部旋轉(zhuǎn)速度的下降Iu/Id隨之減小,即上下不對稱性減弱.當Vt0下降時至約20 km/s 時,Iu/Id≈ 1 (0.99—1.01).當芯部旋轉(zhuǎn)速度繼續(xù)下降時,不對稱性因子也持續(xù)下降至小于1,即不對稱性發(fā)生了反轉(zhuǎn).當Vt0降至約10 km/s 時,Iu/Id隨之降至0.96.

圖5 W32+ 52.2 ?線輻射強度不對稱因子Iu/Id 隨芯部環(huán)向旋轉(zhuǎn)速度Vt0 的變化Fig.5.Asymmetry factor Iu/Id of line emission intensity for W32+ 52.2 ? as a function of central toroidal rotation velocity,Vt0.

4 基于漂移動理學的理論預(yù)測與實驗結(jié)果分析

基于漂移動理學,可以從理論解析的角度預(yù)測高Z雜質(zhì)的上下不對稱分布,而考慮環(huán)向旋轉(zhuǎn)的高Z雜質(zhì)磁面不均勻分布,及其對徑向輸運的影響是現(xiàn)今高Z雜質(zhì)輸運理論研究的重點[21].本文展現(xiàn)的實驗結(jié)果、包括統(tǒng)計得到的規(guī)律均能很好地吻合理論的預(yù)測.下面給出通過求解漂移動理學方程,結(jié)合雜質(zhì)平行于磁場方向的動量守恒、準中性條件,假設(shè)大環(huán)徑比近似得到的雜質(zhì)磁面不均勻分布的表達式n(θ)=1+Nssinθ+Ncsinθ+O(ε2),其中n(θ)=nz/〈nz〉,這里Ns,Nc分別表示上下、內(nèi)外不對稱的密度峰值與極向密度分布平均值之間的比值,θ表示等離子體極向截面的極向角坐標,θ=0位于中平面外側(cè)與磁面相交的點.本文所關(guān)注的上下不對稱分布Ns的解析表達式為[22]

當磁場為俯視順時針時,Ns>0 表示中平面以上的雜質(zhì)分布高于中平面以下的部分,對應(yīng)實驗數(shù)據(jù)的Iu/Id>1 ;反之,Ns<0 則對應(yīng)Iu/Id<1 .ε=a/R為反環(huán)徑比,即裝置的小半徑與大半徑的比值表示磁軸位置處的大半徑,M2則表示修正后的雜質(zhì)環(huán)向轉(zhuǎn)動的馬赫數(shù),其表達式為

其中mi和mz分別為主離子和雜質(zhì)離子的質(zhì)量,Ti和Tz分別為主離子和雜質(zhì)離子的溫度,Z為雜質(zhì)離子的帶電量,ω為環(huán)向旋轉(zhuǎn)的角速度,環(huán)向速度可表示為Vt0=ωR.另外γ是一個只與背景等離子體相關(guān)的無量綱參數(shù):

其中a/LTi和a/Lni分別為歸一化的離子溫度和密度梯度,LTi=Ti/(?Ti/?ψ) ,Lni=ni/(?ni/?ψ) ;fc?為通行粒子的份額,在大環(huán)徑比近似下可約等于1;而g則是一個無量綱參數(shù),直接關(guān)聯(lián)主離子對雜質(zhì)摩擦力的平行于磁場的分量,通常情況下對于高Z雜質(zhì)有 |g|∝Z2>1[23].這個表達式直觀地顯示了理論上Ns與環(huán)向轉(zhuǎn)動正相關(guān).需要指出,通常情況下 1/Lni<1/2·1/LTi,此時γ<0,當環(huán)向旋轉(zhuǎn)速度很大時,轉(zhuǎn)動帶來的湍流致穩(wěn)作用強,歸一化溫度梯度高,歸一化密度梯度低;當滿足 1/Lni<(0.5-0.33fc)·1/LTi時,有 1+γ>0,上下不對稱性與轉(zhuǎn)動呈現(xiàn)正相關(guān)且Ns>0 .而當環(huán)向旋轉(zhuǎn)速度降低,轉(zhuǎn)動帶來的湍流致穩(wěn)作用減弱,歸一化密度梯度升高,歸一化溫度梯度降低時,則有可能出現(xiàn) 1/Lni>(0.5-0.33fc)·1/LTi,此時有γ+1<0,Ns可能出現(xiàn)負值,即發(fā)生反轉(zhuǎn),但由于環(huán)向旋轉(zhuǎn)速度較低,故反轉(zhuǎn)后上下不對稱的幅度往往小于反轉(zhuǎn)前的大小.

值得注意的一點是,圖3(d)在t2和t3時間段,芯部弦積分密度和芯部電子溫度很直觀地展現(xiàn)出同步于環(huán)向旋轉(zhuǎn)速度變化的變化,即NBI 之后,環(huán)向旋轉(zhuǎn)速度上升,芯部溫度升高,密度降低,而氣體注入之后,環(huán)向旋轉(zhuǎn)速度下降,芯部溫度有所降低,密度升高.因此除了環(huán)向旋轉(zhuǎn)本身的直接影響外,背景等離子體離子密度、溫度等參數(shù)分布的變化可能也間接地調(diào)制了鎢雜質(zhì)上下不對稱性的強弱乃至方向,今后將設(shè)計專門的實驗進行驗證.

關(guān)于上下不對稱分布與離子磁場梯度B×?B漂移方向的關(guān)系,由于托卡馬克位形?B的方向近似實驗室坐標R的反方向不變,因此在相等的環(huán)向旋轉(zhuǎn)下,該關(guān)系實際上是俯視視角下環(huán)向磁場順、逆時針與上下不對稱分布的關(guān)系.實驗上觀測到的輻射較強(密度較大)的一側(cè)背離離子B×?B漂移方向這一現(xiàn)象,其原因在于主離子對雜質(zhì)的摩擦力,其平行于磁場的分量與磁場方向始終相反,對于順時針的環(huán)向磁場,g>0 ;而對于逆時針的環(huán)向磁場則有g(shù)<0,進而上下不對稱分布的強側(cè)始終與離子磁場梯度漂移方向B×?B相反.

5 結(jié)論

本文首次利用在EAST 上發(fā)展的極紫外空間分辨雜質(zhì)光譜儀(EUV_Long2),對離子B×?B漂移向下、上單零位形H-mode 等離子體中鎢雜質(zhì)離子線輻射上下不對稱分布行為開展實驗研究.在有同向束注入的情況下,觀察到鎢雜質(zhì)離子線輻射表現(xiàn)出顯著的上下不對稱性,且不對稱方向背離離子B×?B漂移方向;而在充入CD4氣體后,不對稱程度隨著環(huán)向旋轉(zhuǎn)速度迅速下降而下降,最終發(fā)生反轉(zhuǎn).除此之外,統(tǒng)計分析結(jié)果也顯示了不對稱性與等離子體環(huán)向旋轉(zhuǎn)速度的強相關(guān)性.

本文中鎢雜質(zhì)上下不對稱性的觀測結(jié)果驗證了漂移動理學理論所預(yù)測的,上下不對稱分布導致輻射較強的一側(cè)始將終背離離子磁場梯度漂移方向這一現(xiàn)象,以及雜質(zhì)上下不對稱性與等離子體環(huán)向旋轉(zhuǎn)之間的強相關(guān)性,即在環(huán)向旋轉(zhuǎn)速度很大時,顯著的正相關(guān).另外伴隨環(huán)向旋轉(zhuǎn)速度降低時的背景主離子溫度密度等參數(shù)分布及梯度的改變,可能引起不對稱反轉(zhuǎn).本工作為雜質(zhì)極向輸運研究提供了切入點和實驗支持,為后續(xù)進一步研究鎢雜質(zhì)極向輸運及其與徑向輸運的相互作用研究打下了基礎(chǔ).今后我們將設(shè)計專門的實驗,在完備等離子體參數(shù)剖面測量的基礎(chǔ)上,對高Z雜質(zhì)極向上下不對稱分布開展更深入的機理研究.

EAST 裝置的極紫外空間分辨雜質(zhì)光譜儀系統(tǒng)的一次性空間觀測范圍已從–23.5 ≤Z≤25 cm (ρ ≤ 0.35)擴展到–40 ≤Z≤ 40 cm (ρ ≤0.65),并且新研制了一套覆蓋全極向空間的可見波段空間分辨雜質(zhì)光譜儀,因此可以進一步針對EAST 等離子體中不同低、中、高Z雜質(zhì)離子(例如C,Cu,Fe,Mo 等)以及高Z金屬雜質(zhì)更低電離態(tài)的離子開展完整分布剖面的觀測,研究上下不對稱性分布對雜質(zhì)帶電量Z的依賴關(guān)系.另外,對不同放電模式下鎢雜質(zhì)不對稱分布的變化也是下一步研究的重要方向,將為未來聚變堆物理設(shè)計中不同放電模式下的高Z雜質(zhì)控制提供一定的依據(jù)與參考.