Measuring the in situ erosion rate of tungsten using an optical emission spectroscopic diagnostic technique, so called the S/XB method, has recently gained attention in current fusion research. This method calculates the erosion rate by multiplying the S/XB value, which represents ionization per photon emission, with the intensity of the specific spectral line. The S/XB value was given by the ionization rates (S) and the excitation rates (X) from the ground and the metastable levels and the branching ratio (B) for the specific radiative transition of neutral tungsten (W I), assuming a corona equilibrium among the ground, metastable, and upper resonance levels. The conventional S/XB method assumes a Boltzmann distribution for metastable level densities and introduces the free parameter of the tungsten atomic characteristic temperature (). Herein, we propose an improved S/XB method to measure the erosion rates of tungsten in a divertor to eliminate the ambiguity caused by . Our approach directly calculates the densities of ground and metastable levels using a set of photon emission equations that relate their densities to multiple spectral line intensities within the framework of coronal equilibrium. Subsequently, the sputtered flux is obtained from the matrix operator form of S/XB and the multiple spectral line intensities given by the measurement. Our proposed method was experimentally tested using the plasma beam irradiation facility by comparing the gross tungsten erosion rates calculated using our method with those obtained from conventional approaches and those determined through the sputtering yield by the Ar+ ion beam flux. From the experiment, we obtained the sputtered tungsten flux of 4.0 × 1020 m−2 s−1 (2.1 × 1020) using our method at a discharge current of 150 A from the plasma source and an ion incident energy of 100 eV, while the previous method yielded a range from 1.4 × 1020 m−2 s−1–1.9 × 1021 m−2 s−1 by varying and spectral lines. Using the sputtering yield method, a sputtered flux of 4.1 × 1020 m−2 s−1 (1.1 × 1019) was measured as a reference value. The results demonstrate that our S/XB method significantly reduces ambiguity in the selection of spectral lines and the parameter, and closely agrees with the reference values, offering a more accurate and consistent approach for measuring tungsten erosion in fusion reactors.
光学発光分光診断技術である、いわゆるS/XB法を用いたタングステンのその場侵食速度の測定は、最近の核融合研究において注目を集めている。この方法は、光子放出あたりの電離を表すS/XB値に、特定のスペクトル線の強度を乗じることにより侵食速度を算出する。S/XB値は、基底準位および準安定準位からの電離速度係数(S)と励起速度係数(X)、および中性タングステン(W I)の特定の放射遷移に対する分岐比(B)によって与えられ、基底準位、準安定準位、および上部共鳴準位間のコロナ平衡を仮定していた。従来のS/XB法は、準安定準位密度に対してボルツマン分布を仮定し、タングステン原子の特性温度（）という自由パラメータを導入する。本論文では、ダイバータにおけるタングステンの侵食速度を測定するための改良型S/XB法を提案し、これによって（）に起因する曖味さを排除する。我々のアプローチは、コロナ平衡の枠組み内でそれらの密度を複数のスペクトル線強度に関連付ける一連の光子放出方程式を用いて、基底準位および準安定準位の密度を直接計算する。続いて、スパッタ粒子フラックスは、S/XBの行列演算子形式と、測定によって得られた複数のスペクトル線強度から求められる。提案手法は、プラズマビーム照射装置を用いて実験的に検証され、その際、我々の手法で計算されたタングステンの総侵食速度を、従来法から得られた値およびAr+イオンビームフラックスによるスパッタリング収量から決定された値と比較した。実験から、我々は、プラズマ源の放電電流150 A、イオン入射エネルギー100 eVの条件下で、提案手法を用いてスパッタされたタングステンフラックスを 4.0 × 1020 m−2 s−1（2.1 × 1020）として得た。一方、従来法では、 とスペクトル線を変化させることにより、1.4 × 1020 m−2 s−1–1.9 × 1021 m−2 s−1 の範囲が得られた。スパッタリング収量法を用いた場合、参照値として 4.1 × 1020 m−2 s−1（1.1 × 1019）のスパッタ粒子フラックスが測定された。結果は、我々のS/XB法が、スペクトル線の選択と パラメータにおける曖昧さを大幅に低減し、参照値とよく一致することを示しており、核融合炉におけるタングステン侵食を測定するための、より正確で一貫したアプローチを提供する。