For successfully heating plasma with waves in the ion cyclotron range of frequencies (ICRFs), mitigating impurity production is just as crucial as maximizing power coupling, especially in high-Z environments (Urbanczyk et al 2021 Nucl. Mater. Energy26 100925). ICRF can effectively deposit energy on ions, modify turbulence-driven transport, and enhance fusion reaction efficiency, but only when its power coupling has minimal impact on impurity production. To do so, one must rely on a toroidal array of at least three active elements excited with appropriate phasing and power ratio to reduce the currents induced on the antenna frame below levels critical for physical sputtering. In contrast to classic two-strap antennas, which are optimized for dipole phasing with equal power on both straps, three-strap antennas in ASDEX Upgrade (AUG)—but also four-strap antennas in JET, Alcator C-Mod, SPARC and ITER—offer the possibility to act also on the power ratio between the central and outer straps. With optimal settings, impurity production can be reduced substantially, making the ICRF compatible with the high-Z wall (Bobkov et al 2017 Plasma Phys. Control. Fusion59 014022). This paper explores the characteristics of the AUG three-strap antennas in terms of impurity production, as well as the key role of plasma composition in this process. Numerical simulations were performed using SSWICH and Petra-M (finite element codes) to quantify impurity production and compare with experimental results. Energies of ions falling on antenna limiters (measured with probes) are well predicted by both codes. These tools are then used to further describe the source of the impurity, namely the gross erosion of tungsten from an ICRF antenna, for different plasma mixtures. Results are also compared to spectroscopy data. Ultimately, we show that deleterious effects of the ICRF on plasma surface interactions will be weaker in plasmas containing larger fractions of highly ionized heavier low-Z impurity, which is typically relevant for experiments relying on impurity seeding.
イオンサイクロトロン周波数帯（ICRFs）の波でプラズマを加熱することに成功するには、不純物生成の軽減は、電力結合の最大化と同様に重要であり、特に高Z環境ではそうである（Urbanczyk et al 2021 Nucl. Mater. Energy26 100925）。ICRFは、イオンに効果的にエネルギーを堆積し、乱流駆動輸送を変調し、核融合反応効率を高めることができるが、それはその電力結合が不純物生成に及ぼす影響が最小限である場合に限られる。そのためには、適切な位相と電力比で励振される少なくとも3つの能動素子からなるトロイダルアレイに依存して、アンテナフレームに誘起される電流を物理スパッタリングにとって臨界となるレベル以下に低減する必要がある。両方のストラップに等しい電力を持つダイポール位相に対して最適化された古典的な2ストラップアンテナとは対照的に、ASDEX Upgrade（AUG）の3ストラップアンテナは—JET、Alcator C-Mod、SPARC、ITERの4ストラップアンテナも同様に—中央と外側のストラップ間の電力比にも作用する可能性を提供する。最適な設定により、不純物生成を大幅に低減でき、ICRFを高Z壁と適合させることができる（Bobkov et al 2017 Plasma Phys. Control. Fusion59 014022）。本論文は、不純物生成の観点からAUGの3ストラップアンテナの特性と、この過程におけるプラズマ組成の重要な役割を探る。数値シミュレーションは、SSWICHとPetra-M（有限要素コード）を用いて実施され、不純物生成を定量化し、実験結果と比較した。アンテナリミッタに降り注ぐイオンのエネルギー（プローブで測定）は、両コードによってよく予測される。これらのツールは次に、異なるプラズマ混合について、不純物の発生源、すなわちICRFアンテナからのタングステンの総侵食をさらに詳しく説明するために用いられる。結果は分光データとも比較される。最終的に、高電離したより重い低Z不純物の割合が大きいプラズマでは、プラズマ表面相互作用に対するICRFの有害な影響が弱くなることを示す。このことは通常、不純物シーディングに依存する実験に関連する。