EAST輻射偏濾器運行模式下等離子體雜質(zhì)濃度評估方法

計華健 張洪明 楊秀達 尹相輝 李克棟 何 梁 符 佳 王福地 沈永才 萬順寬 呂 波,5 龔學余 龔先祖臧 慶 王嵎民 林 新 王守信

1（南華大學電氣工程學院 衡陽 421001）

2（中國科學院合肥物質(zhì)研究院等離子體物理研究所 合肥 230031）

3（合肥師范學院物理與材料工程學院 合肥 230070）

4（合肥綜合性國家科學中心能源研究院 合肥 230031）

5（中國科學技術(shù)大學研究生院科學島分院 合肥 230031）

在托卡馬克裝置高功率長脈沖運行條件下，會有來自主等離子體的高能粒子流流向偏濾器區(qū)域。當強粒子流沿著磁力線撞擊偏濾器靶板時，會造成偏濾器靶板熱負荷升高，使靶板表面受到強烈的濺射和損傷［1］。靶板濺射產(chǎn)生的雜質(zhì)會輸運到主等離子體，影響等離子體約束品質(zhì)，甚至導致破裂。降低靶板的濺射和表面熱負荷的有效方法之一是在偏濾器區(qū)域充入適量雜質(zhì)氣體，與高能粒子相互碰撞，通過電荷交換降低到達靶板的粒子流能量，能夠有效降低靶板熱負荷的輻射偏濾器運行方式。但是在雜質(zhì)注入的條件下，雜質(zhì)也會通過最外閉合磁面（Last Closed Flux Surface，LCFS）進入主等離子體，影響等離子體約束性能。因此，發(fā)展輻射偏濾器條件下芯部雜質(zhì)測量和評估方法對于評價脫靶等離子體的性能，優(yōu)化輻射偏濾器運行方案有重要意義。

雜質(zhì)濃度的精確計算通常依賴于對雜質(zhì)的輸運行為進行分析，一般通過彈丸注入、激光吹氣等方法瞬態(tài)注入雜質(zhì)，再重建其時間演化以及輻射剖面來獲得對應的雜質(zhì)輸運系數(shù)，過程較為復雜。如果能發(fā)展一種高效且可靠的雜質(zhì)濃度估算方法來評估輻射偏濾器條件下的芯部雜質(zhì)含量，對于提高實驗運行效率有很大幫助。本文針對不同種類的雜質(zhì)，基于碰撞-輻射（Collisional-Radiation Model，CR）模型和有效核電荷數(shù)（Zeff）的測量，對輻射偏濾器運行模式下等離子體芯部的鎢雜質(zhì)和氖雜質(zhì)濃度分別進行了估算。研究發(fā)現(xiàn)，此方法可以顯著降低雜質(zhì)濃度計算過程對雜質(zhì)輸運系數(shù)的依賴度，從而簡化了整個雜質(zhì)濃度計算過程。

1 雜質(zhì)濃度估算方法

如何快速而準確計算等離子體中雜質(zhì)濃度一直是等離子體診斷亟待解決的問題之一，尤其是在輻射偏濾器運行模式下，對芯部的雜質(zhì)含量進行評估尤為重要。本研究基于不同雜質(zhì)的特性，分別采用了兩種不同的雜質(zhì)濃度估算方法，對雜質(zhì)濃度進行估算。

1.1 基于雜質(zhì)線輻射強度的雜質(zhì)濃度估算方法

計算芯部雜質(zhì)濃度的常規(guī)方法之一是通過測量雜質(zhì)輻射特征譜線的絕對強度，并結(jié)合CR 模型進行計算。這個過程需要考慮雜質(zhì)粒子的輸運效應，通常采用較為簡化的擴散-對流模型（D-v）來描述芯部雜質(zhì)粒子的輸運過程。在重建線輻射剖面時，需已知雜質(zhì)輸運系數(shù)，即擴散系數(shù)D和對流速度v［2］。為了得到簡單可靠的濃度計算方法，并盡量降低其對輸運系數(shù)的依賴，Czarnecka 等［3］根據(jù)以往實驗研究，假設(shè)多組D和v的剖面分布，利用一維雜質(zhì)輸運模型研究其對最終計算結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)在某個固定的電子溫度值時，雜質(zhì)濃度受輸運系數(shù)的影響非常有限。楊秀達等［4］通過發(fā)展一維雜質(zhì)輸運模擬程序，并結(jié)合東方超環(huán)（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST）等離子體位型以及相關(guān)參數(shù)，得到了與Czarnecka 相近的模擬結(jié)果，以此為基礎(chǔ)，發(fā)展了一套高效可靠的高核電荷數(shù)（Z）雜質(zhì)濃度定量分析方法。

根據(jù)CR 模型可知，當雜質(zhì)離子最外電子殼層只有一個或者兩個電子時，外層電子相對于內(nèi)殼層電子更易被激發(fā)，并退激釋放出線輻射。此外，這種條件下電子碰撞激發(fā)的碰撞截面較為容易計算，且準確度較高。因此，最外電子殼層只有一個或者兩個電子的雜質(zhì)離子產(chǎn)生的線輻射更適合用于計算雜質(zhì)離子的濃度。因為這些雜質(zhì)離子的線輻射波段主要集中在極紫外光譜診斷系統(tǒng)（Extreme Ultraviolet Spectroscopy，EUV）波段，所以可以通過測量EUV波段的雜質(zhì)輻射絕對強度，對相應的雜質(zhì)濃度進行估算［5?6］。

雜質(zhì)濃度可以通過調(diào)整弦積分雜質(zhì)離子線輻射強度的模擬值與實驗值相吻合來獲得。弦積分雜質(zhì)線輻射強度的模擬值可以通過以下方程計算得到：

式 中：ε代 表 光 子 發(fā) 射 率，m?3?s?1；PEC（Photon Emissivity Coefficient）代表光子發(fā)射系數(shù)，m?3?s?1；nZ代表雜質(zhì)Z總的密度剖面，m?3；cZ表示雜質(zhì)的相對濃度(nZ/ne)為雜質(zhì)離子的相對密度以及可以通過一維簡化的擴散-對流模型計算而獲得。在采用一維輸運模型進行雜質(zhì)分布計算時，雜質(zhì)濃度的計算誤差除了受到原子數(shù)據(jù)（比如PEC、有效電離系數(shù)以及有效復合系數(shù)等）準確度的影響之外，還受到所輸入的電子溫度、電子密度及雜質(zhì)輻射剖面等實驗數(shù)據(jù)的測量誤差影響。由于目前仍然沒有很好的辦法來評估PEC、有效電離系數(shù)以及有效復合系數(shù)等原子數(shù)據(jù)的準確度，因此，本研究中僅考慮電子溫度、電子密度及雜質(zhì)輻射剖面等實驗數(shù)據(jù)的測量誤差對最終雜質(zhì)濃度計算值的影響。式（1）中，PEC和FA受電子溫度影響較大，而電子密度在1019~1020m?3對其影響可以忽略［7］。為了簡化計算過程，用弦平均電子密度代替電子密度，得到式（2），該過程引起的誤差約為20%［4］。另外，由于等離子體芯部的離子電荷和復合過程的時間尺度要遠小于等離子體輸運過程的時間尺度，所以FA受D和v的影響有限。因此式（2）中FA 的值可在不考慮輸運的情況下計算得到的，通常對計算結(jié)果的影響不超過10%［8］。此外，F(xiàn)A與PEC都受Te的影響，因此定義FP=FA×PEC，得到式（3）：

根據(jù)Czarnecka等的實驗研究，等離子體中存在某個固定電子溫度，該處的雜質(zhì)濃度幾乎不受輸運系數(shù)的影響。在此前提下假設(shè)雜質(zhì)濃度在等離子體中均勻分布，所以式（3）可以轉(zhuǎn)換為式（4）。最終得到雜質(zhì)的濃度計算公式（5）：

以上雜質(zhì)濃度計算的相對不確定度主要來自以下幾個方面：第一，ne的剖面用其弦平均取代時會產(chǎn)生一定的相對不確定度，該相對不確定度約為20%。第二，由于Te通過影響項來影響最終的濃度計算結(jié)果，影響過程比較復雜，所以這里用Te的測量誤差取代，約為10%。第三，雜質(zhì)線輻射的絕對測量誤差約為30%［9］。除了這些，計算過程所用到的原子數(shù)據(jù)（比如PEC、有效電離系數(shù)以及有效復合系數(shù)等）導致的不確定度沒有考慮進去。最終，計算結(jié)果的總不確定度約小于42%［4］。

1.2 基于有效電荷數(shù)變化的雜質(zhì)濃度估算方法

等離子體有效電荷數(shù)定義式為：

Zeff?1可以認為由雜質(zhì)貢獻的有效核電荷系數(shù)（如果沒有雜質(zhì)，Zeff為1）。用弦平均電子密度去替換電子密度，并且結(jié)合，式（7）變換為：

雜質(zhì)貢獻有效核電荷用Zeff-imp表示，則式（8）又可表示成：

這里Zeff可以通過可見軔致輻射（Visible Bremsstrahlung，VB）系統(tǒng)測得，因此可將式（9）轉(zhuǎn)化為：

正常的低約束模式（L模）放電還是高約束模式（H 模）放電時，高Z雜質(zhì)對有效電荷數(shù)的貢獻并不太高，分別為10%~25%［5］。因此，可以推斷由雜質(zhì)貢獻的那部分有效核電荷系數(shù)中，主要來自低Z雜質(zhì)。根據(jù)式（10），本文發(fā)展了一個新的估算低Z雜質(zhì)濃度的方法。因此，在充入雜質(zhì)氣體Ne，實現(xiàn)輻射偏濾器運行的實驗中，等離子體Zeff的快速提升主要來自雜質(zhì)Ne的增加。

2 極紫外光譜診斷系統(tǒng)

由于中大型磁約束聚變裝置的等離子體電子溫度較高，芯部中、高電離態(tài)雜質(zhì)離子輻射的譜線主要分布在軟X 射線到極紫外波段。因此可以利用EUV觀測等離子體芯部的雜質(zhì)輻射譜線［10?11］。如圖1 所示，EUV 光譜儀安裝在EAST 裝置的G 水平窗口，為了拓展空間觀測范圍，譜儀安裝在抽氣管道末端，系統(tǒng)狹縫距離等離子體中心位置約9 m。光譜儀真空腔室與EAST 內(nèi)真空室之間安裝有插板閥，可以實現(xiàn)真空腔室間的聯(lián)通與隔離。在EAST裝置進行壁處理或EUV 光譜儀需要獨立維修時可通過此插板閥進行真空隔離，從而起到保護光譜儀和提高系統(tǒng)維護便利性的作用。

圖1 EUV光譜診斷系統(tǒng)布局示意圖Fig.1 Diagram of the layout of EUV spectroscopy system

EUV 光譜儀主要由入射狹縫、快門、凹面變線距光柵和電荷耦合元件（Charge-coupled Device，CCD）探測器組成。其中狹縫、快門以及光柵安裝于光譜儀真空腔室內(nèi)；CCD探測器通過一段波紋管連接在光譜儀真空腔室左端。此外，通過高精度步進電機的牽引，CCD 探測器可以沿水平方向移動，以達到拓展波長觀測范圍的目的。EUV 光譜儀采用兩個相互垂直放置的雙狹縫結(jié)構(gòu)，其中垂直狹縫用于分光，而水平狹縫用于提高系統(tǒng)空間分辨能力，使得觀測垂直方向輻射強度分辨成為可能。在本研究中，垂直狹縫寬度設(shè)置為100 μm，而水平狹縫寬度設(shè)置為1 mm。EUV 系統(tǒng)可以觀測到自中平面以上0 mm

EUV 光譜儀采用了凹面變線距光柵（1 200 grooves?mm?1，指每毫米光柵的刻槽數(shù)為1 200），當入射光與衍射光位于光柵的法線兩側(cè)時，光柵方程為：

式中：α為入射角；β為衍射角；k為衍射級次；λ為波長；d為光柵刻線間距。對于指定的k和λ，β將由α和d決定。只需改變刻線間距d的值，就可以使某一波段范圍的衍射光成像在幾乎平直的平面內(nèi)。為了提高光柵的效率，EUV光譜儀采用大入射角度掠入射結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)中光柵的入射角α設(shè)置為87°。入射狹縫到光柵的距離為235 mm，而光柵到探測器的距離為237 mm。在20 nm 波長位置，波長分辨率為0.015 nm。EUV光譜儀采用了在軟X射線和極紫外波段有著高靈敏度的背照光CCD 探測器。該CCD探測器有2 048×2 048 個像素，每個像素大小為13.5 μm×13.5 μm。在實際測量中，為了降低CCD探測器的讀出時間，通常會采用Multi-tracks 或Subimage 工作模式來進行雜質(zhì)輻射的空間分布測量。采用Multi-tracks 工作模式可以僅對豎直方向（空間測量方向）進行像素聯(lián)用（像素Binning），即將豎直方向的相鄰行的像素的電荷加在一起讀出。Multi-tracks工作模式將空間測量方向的像素自由地分為若干個通道以降低讀出時間，其中每個通道的像素聯(lián)用個數(shù)可以自由設(shè)置，且對水平方向（波長測量方向）無影響。而采用Subimage模式則可以快速地對豎直方向和水平方向的像素分別按照固定的個數(shù)進行像素Binning。與采用Multi-tracks 工作模式相比，Subimage可以在犧牲部分波長分辨率的條件下進一步降低水平方向的讀出時間，以獲得更高的時間分辨率。因此，采用Multi-tracks或Subimage的工作模式下，可以在滿足測量通道及波長分辨率需求的條件下顯著提高系統(tǒng)的時間分辨率。在采用Multi-tracks 或Subimage 的空間分辨測量工作模式下，探測器的時間分辨率約為100 ms［6，11?12］。CCD探測器安裝在步進電機驅(qū)動的位移平臺上，可以在光譜儀的焦平面上水平移動，以拓展波長觀測范圍。通過移動CCD水平位置，可以將系統(tǒng)的波長觀測范圍擴展到5~50 nm，并保證分辨率仍在可接受的范圍內(nèi)。

3 雜質(zhì)注入條件下的鎢和氖雜質(zhì)濃度計算

通過在偏濾器區(qū)域充入適量雜質(zhì)氣體實現(xiàn)的輻射偏濾器運行模式，必然會有部分雜質(zhì)通過輸運進入等離子體芯部。因此，本研究分別對輻射偏濾器脫靶運行等離子體芯部的W和Ne雜質(zhì)的濃度進行估算。在EAST#94437 次放電中，通過主動充入Ne氣，實現(xiàn)了輻射偏濾器運行模式。圖2 為EUV 光譜儀所觀測的3~15 nm波段內(nèi)的雜質(zhì)譜線。在偏濾器區(qū)域充入Ne 氣的情況下，在EUV 波段可以觀測到較強的Ne 雜質(zhì)譜線。主要的Ne 線有Ne VIII（6.549 nm）、Ne IX（7.436 nm）、Ne VIII（8.809 nm）、Ne VIII（9.826 nm）、Ne VII（10.306 nm）和Ne VIII（10.619 nm）等。由于EAST 上偏濾器采用鎢靶板，放電中會有一定量的鎢雜質(zhì)進入等離子體。通過采用鋰化等壁處理手段，有效降低等離子體中的鎢雜質(zhì)含量，但是在EUV波段仍然可以觀察到較強的W雜質(zhì)輻射譜線。在2~4 nm 和4.5~7.0 nm 波長范圍內(nèi)，鎢譜線較為密集，疊加較為明顯，對具體的譜線進行區(qū)分較難。因此此波段內(nèi)的鎢譜線一般統(tǒng)稱為鎢的偽連續(xù)譜（Tungsten Unresolved Transition Arrays，W-UTA）。在2~4 nm、4.5~7.0 nm 波長范圍內(nèi)的W-UTA 分別主要由W24+—W33+、W24+—W45+構(gòu)成。然而，在此波段依舊可以觀測到一些相對較為獨立的鎢雜質(zhì)譜線，如W XXX（4.978 5 nm）、W XLIV（6.133 4 nm）、W XLV（6.093 nm）和W XLVI（6.233 6 nm）等［13?17］。表1 給出了W30+、W43+、W44+、W45+離子的電離能以及各自譜線對應的電子的能級躍遷。本研究采用這些譜線對等離子體中的鎢雜質(zhì)濃度進行估算。

圖2 #94437 EUV光譜儀觀測的雜質(zhì)譜線Fig.2 Wavelength distribution of EUV spectrum at#94437

表1 W29+、W43+、W44+、W45+電離能、對應波長、電子的能級躍遷以及各電離態(tài)計算濃度結(jié)果（t=5 s）Table 1 W29+,W43+,W44+,W45+ionization energies,corresponding wavelengths,energy level transitions of electrons,and calculated concentration results of each ionization state(t=5 s)

在之前研究中，采用基于等離子體韌致輻射的方法，對EAST 裝置上的EUV 光譜診斷系統(tǒng)進行了絕對強度標定，得到了不同波長位置的絕對強度標定系數(shù)［18］。可以通過標定系數(shù)以及雜質(zhì)的譜線強度計算得到雜質(zhì)絕對輻射強度I qZ，如圖3（e）~（h）所示。在t=4 s 后在偏濾器區(qū)域充入Ne 氣，芯部的Ne 雜質(zhì)的絕對輻射強度迅速上升。

圖3 (a)電子數(shù)密度ne和等離子體電流Ip，(b)電子回旋加熱功率、低雜波加熱功率和中性束注入功率，(c)Dα信號，(d)等離子體儲能WMHD和總輻射功率Prad，(e)W XXX和W XLIV絕對輻射強度，(f)W XLV和W XLVI絕對輻射強度，(g)NeVIII(8.8 nm)和NeVIII(9.8 nm)絕對輻射強度，(h)Ne VII(10.3 nm)和NeVII(10.6 nm)絕對輻射強度，(i)有效核電荷數(shù)Zeff和充氖氣信號，(j)W雜質(zhì)濃度Fig.3 (a)Electron number ne and plasma current Ip,(b)ECRH power LHCD power and NBI power,(c)Dα,(d)the plasma stored energy WMHD and radiational power from the main plasma Prad,(e)W XXX and W XLIV absolute radiation intensity,(f)W XLV and W XLVI absolute radiation intensity,(g)NeVIII(8.8 nm)and NeVIII(9.8 nm)absolute radiation intensity,(h)Ne VII(10.3 nm)and NeVII(10.6 nm)absolute radiation intensity,(i)Zeff and neon gas-puffing signal,(j)W impurity concentration

由湯姆遜散射診斷系統(tǒng)和偏振干涉儀（Polarization Interferometer，POINT）系統(tǒng)測得充入氖氣后t=5 s時刻的電子溫度和電子密度剖面如圖4所示，t=5 s 時刻芯部的電子密度達5.87×1019m?3，同時電子溫度也達到了4.65 keV。

雜質(zhì)離子的PEC 系數(shù)可以通過輻射碰撞模型計算獲得，在本研究中，通過ADAS（Atomic Data and Analysis Structure）數(shù)據(jù)庫獲得了W 和Ne 離子相關(guān)譜線的PEC系數(shù)，由圖4可知，芯部電子密度主要集中在1019~1020m?3內(nèi)，PEC系數(shù)基本不受電子密度影響，因此可以忽略PEC 受電子密度的影響，僅考慮電子溫度變化對PEC系數(shù)產(chǎn)生的影響。圖5給出了PEC系數(shù)隨電子溫度的變化關(guān)系，在電子溫度為0.87 keV、1.24 keV、0.83 keV、0.91 keV 時，W XXX（4.978 5 nm）、W XLIV（6.133 4 nm）、W XLV（6.093 nm）、W XLVI（6.233 6 nm）的PEC 系數(shù)達到峰值。圖6 給出了W 各電離態(tài)離子的相對密度FA隨電子溫度的變化關(guān)系。W29+、W43+、W44+以及W45+離子的相對密度分別在1.46 keV、3.12 keV、3.37 keV、3.83 keV時相對密度達到最大值。

圖4 t=5 s時刻電子溫度Te和電子數(shù)密度ne剖面圖Fig.4 Sectional diagram of electron temperature Te and electron number density ne at t=5 s

圖5 W雜質(zhì)離子PEC系數(shù)Fig.5 PEC coefficient of W impurity

圖6 鎢雜質(zhì)離子相對密度FAFig.6 Fractional abundance of tungsten impurity

通過以上數(shù)據(jù)最終計算得到t=5 s 時不同電離態(tài)的W 雜質(zhì)離子的相對濃度（表1）。Ne 雜質(zhì)充入后，芯部的W 雜質(zhì)濃度依然維持在一個較高的水平，在（1.8~3.0）×10?4ne這一區(qū)間。為了對比充氖前后芯部W雜質(zhì)的變化，計算出了W雜質(zhì)相對濃度的時間演化關(guān)系，如圖3（j）所示，在t=2~3 s期間內(nèi)，芯部的W 雜質(zhì)濃度較高，（1.2~1.5）×10?4ne；t=3 s 以后中性束注入（Neutral Beam Injection，NBI）開始注入，如圖3（b）所示，W 雜質(zhì)相對濃度下降到（0.6~0.8）×10?4ne。充入Ne氣以后，W的相對濃度依舊維持在一個較低水平，約0.7×10?4ne；t=5 s時刻，W雜質(zhì)相對濃度開始上升?；诒狙芯揩@得的W 雜質(zhì)濃度實驗結(jié)果，目前正在詳細研究Ne氣注入后芯部W雜質(zhì)增強的原因?？赡艿脑蚴荖e 離子質(zhì)量遠高于D 離子或原子質(zhì)量，因此在注入Ne 氣之后，從主等離子體流向偏濾器區(qū)域的Ne 離子攜帶的動能要遠大于D離子或原子，由于W靶板濺射閾值相對較高，通常高于偏濾器區(qū)域D離子或原子的動能，但是卻低于Ne 離子攜帶動能［19］。在注入Ne 氣之后，產(chǎn)生大量的高能Ne離子轟擊偏濾器靶板，因而產(chǎn)生相對較多的W雜質(zhì)濺射。

在t=7 s時刻，中性束停止注入芯部W雜質(zhì)相對濃度出現(xiàn)一個快速上升趨勢，并達到相對較高水平，約2.3×10?4ne。引起這一結(jié)果的原因可能是當主離子通過以離子加熱為主的NBI加熱和以電子加熱為主的電子回旋共振（Electron Cyclotron Resonance Heating，ECRH）加 熱、低混雜波（Lower Hybrid Waves，LHW）加 熱 時，使 邊 界 局 域 模（Edge Localized Mode，ELM）頻率增加，高頻率的ELM 會加快芯部W雜質(zhì)的排放，使W的雜質(zhì)相對濃度下降到較低水平［20］。相反，當NBI 和射頻波停止加熱，ELM 頻率下降，W 雜質(zhì)的排放速率大大降低，芯部W雜質(zhì)含量就會迅速上升。根據(jù)電子溫度剖面計算得到W雜質(zhì)密度剖面如圖7所示，在t=3 s時刻充Ne氣前，芯部的W 雜質(zhì)密度相對較高，在t=5 s 時刻充入Ne氣以后，芯部密度較低，靠近邊界的位置W的雜質(zhì)密度比充氣前高，因此在偏濾器區(qū)域充入Ne氣在一定程度上降低了芯部區(qū)域W雜質(zhì)的聚芯。

圖7 W雜質(zhì)密度剖面Fig.7 W impurity density profile

在EUV 波段，可以觀測到多條Ne6+與Ne7+離子的輻射譜線。但是由于Ne6+與Ne7+離子電離能較低，主要分布在靠最外閉合磁面（Last Closed Flux Surface，LCFS）的區(qū)域。在LCFS 附近的邊界區(qū)域，由湯姆遜散射診斷系統(tǒng)測量到的電子溫度剖面誤差較大。因此，采用與估算W雜質(zhì)濃度相同的方法來估算Ne雜質(zhì)濃度會產(chǎn)生較大的誤差。為此，采用另外一種方法對Ne雜質(zhì)濃度進行估算，即通過對比充入Ne 雜質(zhì)前后Zeff的變化來估算等離子體中Ne 的濃度。由圖3（i）可知，充入Ne 氣之后，Zeff發(fā)生了顯著變化，由2.2上升至3.0。由于此過程中Zeff的變化主要是由Ne 雜質(zhì)的注入引起的。Zeff的變化隨等離子體中新增的雜質(zhì)濃度cZ變化關(guān)系為：

由計算結(jié)果可知，芯部的Ne雜質(zhì)濃度已經(jīng)達到電子數(shù)密度的0.89%。為了降低對主等離子體品質(zhì)的影響，需要嚴格控制邊界充氣速率與充氣量。由于EAST裝置Zeff診斷的觀測視野覆蓋了除偏濾器區(qū)域之外的其他主體等離子體區(qū)域，因此，本文中基于有效電荷數(shù)Zeff變化的方法估算的低Z雜質(zhì)離子的濃度雖然無法完整包含偏濾器區(qū)域雜質(zhì)離子的貢獻，但是卻基本可以反映主體等離子體中低Z雜質(zhì)水平（也包含完全電離的雜質(zhì)離子的貢獻），可以用來評價主體等離子體的低Z雜質(zhì)含量及水平，為下一步在EAST上開展雜質(zhì)氣體注入實驗提供芯部雜質(zhì)水平的參考。

4 結(jié)語

本文針對在偏濾器區(qū)域注入Ne 雜質(zhì)的實驗條件，采用兩種不同的雜質(zhì)濃度計算方法，對W 和Ne雜質(zhì)的濃度分別進行了評估。結(jié)合W 雜質(zhì)譜線絕對強度的測量及輻射碰撞模型，在忽略輸運效應的條件下估算了W雜質(zhì)的濃度。通過分析Ne注入條件下有效核電荷數(shù)Zeff的變化，對輻射偏濾器條件下主等離子體中的Ne 雜質(zhì)濃度進行了估算。通過分析計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在Ne雜質(zhì)注入條件下，芯部Ne雜質(zhì)濃度顯著增強，Ne雜質(zhì)的總密度達到電子密度的0.89%。同時芯部鎢雜質(zhì)含量仍然會有所增強，W雜質(zhì)的密度基本維持在電子數(shù)密度的（1.8~3.0）×10?4ne。本研究中發(fā)展的雜質(zhì)濃度估算方法對快速評估輻射偏濾器條件下芯部雜質(zhì)含量，優(yōu)化輻射偏濾器運行參數(shù)，在EAST 上實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的輻射偏濾器放電有重要參考意義。

作者貢獻聲明計華?。禾岢鼍帉懰悸?，并負責論文起草、修改的主要工作；呂波：負責審核、把關(guān)論文的科學性、嚴謹性；張洪明、楊秀達：參與文章修改并指導論文寫作思路，修改論文的部分內(nèi)容；尹相輝、李克棟、何梁、符佳、王福地、沈永才、萬順寬、龔學余：提供部分參考文獻、指導論文編寫，并提出修改思路；龔先祖、臧慶、王嵎民、林新、王守信：提供本文部分實驗數(shù)據(jù)。