近日，多途径磁约束核聚变研究中心团队在NF杂志上发表了EAST装置上H模台基附近GAM带状流研究成果。

文中报导了以台基顶附近同时出现GAM和宽谱准相干模QCM出现为表征的稳态高约束模式，其H98因子可达1.2-1.5，典型的只有QCM出现的放电其H98因子只有~0.8-1.2，且大部分<1.0，见图1，所有数据来源于EAST-2018年度等离子体实验。研究发现，这种运行模式基本运行参数区间为高q95、高温度的等离子体放电中：当q95>6时，这种模式可以长期维持，并通过增强Da辐射维持台基稳定，具有高粒子约束、高能量约束、无ELM、低杂质辐射的特点;当q95不够大~5-6时，台基附近的GAM带状流极易消失，并转化为ELM-H模，使得能量约束略微变差，但仍有H98>1。

图1：高约束模式中GAM带状流运行参数空间

图2：典型GAM带状流高约束等离子体放电基本参数

图2展示了一炮典型的GAM高约束等离子体放电，在足够的加热下，等离子体在约2.03s进入了高约束模式，干涉仪密度迅速增长，边界GAM因约束改善湍流驱动减弱而消失，Da辐射在经历短暂的下降后重新增长。通过基本特征的比较：高q95放电、台基高碰撞率(归一化~1.0)、台基区有准相干模、Da辐射在H模后有回升，这种高约束模式为EDA-H模。需指出，碰撞率~1.0在Tokamak等离子体理论中可以归于高碰撞，但在EAST装置内部横向放电比较是属于低碰撞率范围。(c)图中，在约2.4s附近(密度增长，多普勒反射计位置往边界区移动)在台基顶附近可同时观测到两支模：~21kHz的GAM和已被广泛观测到的25-70k的宽谱模，称QCM。通过对21kHz模的磁分量模结构和随温度变化的色散关系研究，可以确定其为GAM测地声模。通过多通道多普勒反射计数据结合和剖面反射计密度剖面，可以确定，GAM仅在台基顶内侧(也是台基区Er井内侧)数个厘米范围内可观测到，通过对GAM碰撞阻尼的分析，台基区的GAM碰撞阻尼率相比台基内侧阻尼率有显著的上升，见图3。进一步地，我们比较了QCM和GAM的空间分布，发现QCM在台基区和台基顶内侧的一段区域均可以观测到，其中台基顶内侧区域与GAM空间重合。通过对ECE数据的分析，我们发现ECE可以看到QCM，没有明显的GAM迹象，通过两点波数谱分析法可以确定QCM的尺度为kr~0.5cm-1，与此前的研究结果一致。

通过用ECE的温度涨落和多普勒反射计测量的速度涨落做双谱分析可以观测到GAM和宽谱的QCM存在强相互作为，和背景湍流没有可见的相互作用，见图3。这意味着QCM可能是GAM激发的驱动源。

图4 <温度、温度、湍流速度>双谱结果

为了仿真模拟这种特殊场景下的GAM激发，我们选用的GEM电磁回旋动力学仿真程序，它是一种扰动分布函数的PIC代码，适合于研究低频的湍流、AE阿尔芬本征模等。我们使用了实验中的各种剖面和碰撞率等参数对台基顶内侧约6cm的区域进行了数值仿真计算，见图5。

图5 GEM仿真中使用的剖面

线性模拟结果显示最不稳定的一支模是n=20的捕获电子模TEM，见图6，扰动的二维空间分布信息显示这只模为静电模(电比磁强100倍)，满足气球模低场侧强的特征。通过对碰撞率的扫描，在归一化碰撞率1.0附近，TEM会随碰撞增加而被阻尼，是无碰撞的CTEM。

图6 线性增长率及实频率

采用最不稳定的单n模进行非线性不稳定仿真，可以观测到电势涨落的(0,0)分量有一只GAM出现，其频率和涨落幅度~±1kV/m与实验均吻合，见图7。在多n非线性仿真中，研究发现，最不稳定的模式会将能量转移给更低n的成分，这种现象此前已被称为“TEM cascade”此外，通过模拟中人为地扫描碰撞率，发现GAM幅度和总粒子&热输运都会随碰撞的增加而下降，满足GAM被碰撞阻尼的基本理论。

图7 GEM非线性模拟的(0,0)电势涨落及其功率谱

综合地，我们认为GAM会和密度涨落同步的增长和减弱，并通过粒子输运和热输运的增强帮助维持稳态的无ELM的H模。

该工作得益于多途径磁约束核聚变研究中心团队与EAST团队，西南物理研究院的通力协作。该工作得到了自然科学基金、国家磁约束核聚变能发展研究专项、国家自然科学基金面上项目、以及中央高校基本科研业务费专项资金、合肥大科学中心协同创新培育基金的资助和支持。

作者简介

本文第一作者冯喜博士，2020年毕业于中国科学技术大学核学院，目前在西南物理研究院聚变科学所工作，通讯作者是刘阿娣副教授和庄革教授。