近日，多途徑磁約束核聚變研究中心團隊在NF雜志上發表了EAST裝置上H模臺基附近GAM帶狀流研究成果。
文中報導了以臺基頂附近同時出現GAM和寬譜準相干模QCM出現為表征的穩態高約束模式，其H98因子可達1.2-1.5，典型的只有QCM出現的放電其H98因子只有~0.8-1.2，且大部分<1.0，見圖1，所有數據來源于EAST-2018年度等離子體實驗。研究發現，這種運行模式基本運行參數區間為高q95、高溫度的等離子體放電中：當q95>6時，這種模式可以長期維持，并通過增強Da輻射維持臺基穩定，具有高粒子約束、高能量約束、無ELM、低雜質輻射的特點;當q95不夠大~5-6時，臺基附近的GAM帶狀流極易消失，并轉化為ELM-H模，使得能量約束略微變差，但仍有H98>1。
圖1：高約束模式中GAM帶狀流運行參數空間
圖2：典型GAM帶狀流高約束等離子體放電基本參數
圖2展示了一炮典型的GAM高約束等離子體放電，在足夠的加熱下，等離子體在約2.03s進入了高約束模式，干涉儀密度迅速增長，邊界GAM因約束改善湍流驅動減弱而消失，Da輻射在經歷短暫的下降后重新增長。通過基本特征的比較：高q95放電、臺基高碰撞率(歸一化~1.0)、臺基區有準相干模、Da輻射在H模后有回升，這種高約束模式為EDA-H模。需指出，碰撞率~1.0在Tokamak等離子體理論中可以歸于高碰撞，但在EAST裝置內部橫向放電比較是屬于低碰撞率范圍。(c)圖中，在約2.4s附近(密度增長，多普勒反射計位置往邊界區移動)在臺基頂附近可同時觀測到兩支模：~21kHz的GAM和已被廣泛觀測到的25-70k的寬譜模，稱QCM。通過對21kHz模的磁分量模結構和隨溫度變化的色散關系研究，可以確定其為GAM測地聲模。通過多通道多普勒反射計數據結合和剖面反射計密度剖面，可以確定，GAM僅在臺基頂內側(也是臺基區Er井內側)數個厘米范圍內可觀測到，通過對GAM碰撞阻尼的分析，臺基區的GAM碰撞阻尼率相比臺基內側阻尼率有顯著的上升，見圖3。進一步地，我們比較了QCM和GAM的空間分布，發現QCM在臺基區和臺基頂內側的一段區域均可以觀測到，其中臺基頂內側區域與GAM空間重合。通過對ECE數據的分析，我們發現ECE可以看到QCM，沒有明顯的GAM跡象，通過兩點波數譜分析法可以確定QCM的尺度為kr~0.5cm-1，與此前的研究結果一致。
通過用ECE的溫度漲落和多普勒反射計測量的速度漲落做雙譜分析可以觀測到GAM和寬譜的QCM存在強相互作為，和背景湍流沒有可見的相互作用，見圖3。這意味著QCM可能是GAM激發的驅動源。
圖4 <溫度、溫度、湍流速度>雙譜結果
為了仿真模擬這種特殊場景下的GAM激發，我們選用的GEM電磁回旋動力學仿真程序，它是一種擾動分布函數的PIC代碼，適合于研究低頻的湍流、AE阿爾芬本征模等。我們使用了實驗中的各種剖面和碰撞率等參數對臺基頂內側約6cm的區域進行了數值仿真計算，見圖5。
圖5 GEM仿真中使用的剖面
線性模擬結果顯示最不穩定的一支模是n=20的捕獲電子模TEM，見圖6，擾動的二維空間分布信息顯示這只模為靜電模(電比磁強100倍)，滿足氣球模低場側強的特征。通過對碰撞率的掃描，在歸一化碰撞率1.0附近，TEM會隨碰撞增加而被阻尼，是無碰撞的CTEM。
圖6 線性增長率及實頻率
采用最不穩定的單n模進行非線性不穩定仿真，可以觀測到電勢漲落的(0,0)分量有一只GAM出現，其頻率和漲落幅度~±1kV/m與實驗均吻合，見圖7。在多n非線性仿真中，研究發現，最不穩定的模式會將能量轉移給更低n的成分，這種現象此前已被稱為“TEM cascade”此外，通過模擬中人為地掃描碰撞率，發現GAM幅度和總粒子&熱輸運都會隨碰撞的增加而下降，滿足GAM被碰撞阻尼的基本理論。
圖7 GEM非線性模擬的(0,0)電勢漲落及其功率譜
綜合地，我們認為GAM會和密度漲落同步的增長和減弱，并通過粒子輸運和熱輸運的增強幫助維持穩態的無ELM的H模。
該工作得益于多途徑磁約束核聚變研究中心團隊與EAST團隊，西南物理研究院的通力協作。該工作得到了自然科學基金、國家磁約束核聚變能發展研究專項、國家自然科學基金面上項目、以及中央高校基本科研業務費專項資金、合肥大科學中心協同創新培育基金的資助和支持。
作者簡介
本文第一作者馮喜博士，2020年畢業于中國科學技術大學核學院，目前在西南物理研究院聚變科學所工作，通訊作者是劉阿娣副教授和莊革教授。
