近日，等離子體所徐國盛研究員團隊通過研究EAST低雜波保護限制器熱斑刻蝕機理，揭示了EAST低雜波石墨保護限制器熱斑引起雜質爆發的物理機制是以化學濺射為主，因此當溫度上升到碳的化學濺射增強的溫度，就會出現碳雜質爆發現象，嚴重制約了低雜波系統的高功率（>2MW）運行。而通過更換金屬鎢天線保護限制器，可以避免化學濺射并增加冷卻能力。該成果已發表在國際學術期刊Physics of Plasmas雜志上 [Y. L. Li, G.S. Xu et al. Phys. Plasmas 25, 082503 (2018)]。

　　自從4.6GHz低雜波系統投入EAST實驗以來，低雜波天線口保護限制器熱斑刻蝕靶板問題日益突出。低雜波驅動快電子導致的熱斑嚴重阻礙了低雜波系統的注入功率和高參數長脈沖的運行。為了理解熱斑的形成和刻蝕機理，研究人員在實驗基礎上發現，碳雜質爆發與熱斑處溫度存在依賴關系，熱斑處的溫度比背景靶板處溫度高5倍，并隨放電時間和等離子體密度滿足準線性關系。為了理解熱斑刻蝕靶板而引起等離子體碳雜質含量變化的物理機理，本課題組在原有發展刮削層快電子模型的基礎上[Y. L. Li, G.S. Xu et al. Phys. Plasmas 25, 022510 (2015)]進一步發展了天線口處的快電子理論模型，并結合兩點模型和新發展的存在快電子下的鞘層電位模型來計算天線口處等離子體參量信息，以此為輸入參量，進一步計算物理濺射、化學濺射和輻射增強升華等濺射引起的碳雜質濺射產額。

　　碳雜質濺射通量的時間演化揭示，隨著器壁溫度達到化學濺射的適宜溫度，碳雜質濺射通量將會從平穩狀態明顯爆發，在放電時序上能監測到明顯的碳雜質鼓包。通過掃描天線口密度和平行方向能流發現，碳雜質濺射通量隨著背景平行方向能流的增加而增強，而碳雜質濺射鼓包隨著密度的增加而在時間上前移。在本質上熱斑處的溫度和鞘層電位的增強分別由低雜波驅動快電子沉積到等離子體中的能流和電流導致的。

　　本模型揭示化學濺射以及可能包含化學增強引起的碳的自濺射可以導致實驗上觀測到的碳雜質爆發。理論模型定性上與密度掃描實驗一致，并且從理論上推導的熱斑處的能流與等離子體參量依賴關系也與Tore Supra上熱斑能流的實驗定標一致。對于EAST穩定長脈沖運行，本論文指出從運行和工程上降低天線口熱斑的溫度有利于阻止熱斑處碳雜質爆發。在運行上，通過控制gapout來控制天線口密度有利于降低熱斑溫度。在工程上，提高靶板熱傳導系數以及選擇化學濺射低的鎢材料將有利于長脈沖運行。以上兩點在2018年的實驗上得到了證實。

　　以上研究成果是等離子體所相關科研人員通力合作的結果，相關研究得到了國家磁約束核聚變能發展研究專項、國家自然科學基金、博士后國際交流計劃、中科院青年創新促進會、中科院前沿科學重點研究項目以及中科院王寬誠率先人才計劃“盧嘉錫國際團隊”項目資助。

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1063/1.5019255 

　　圖1.（a）損壞的天線口石墨瓦與全新石墨瓦比較圖；（b）低雜波天線和極向限制器位置示意圖；（c）石墨瓦塊形狀在2016a，2016b和2017a實驗演化圖。

　　圖2.（a）不同炮下C⁵⁺雜質演化圖；（b）密度歸一化C⁵⁺雜質濃度與等離子體密度依賴圖；（c）不同炮下Cu²⁵⁺雜質演化圖；（d）密度歸一化Cu²⁵⁺雜質濃度與等離子體密度依賴圖；

　　圖3.（a）不同參數下碳雜質濺射通量密度與上游等離子體密度依賴關系；（b）不同平行方向能流和上游等離子體密度情況下碳雜質濺射通量密度時間演化圖。