Particle pump-out effects induced by low-frequency (<200 kHz) density fluctuations were observed in solely electron cyclotron wave (ECW)-heated plasmas on the spherical torus XuanLong-50 (EXL-50) without a central solenoid. The intensity of the relative density fluctuations increases with increasing ECW power and decays when the ECW is turned off while sustaining the plasma current. The electron densities are maintained relatively high and steady when the density fluctuations are completely absent, indicating that the outward transport of electrons is dominated by the particle pump-out effect of the ECW. The density fluctuations are modulated by a supersonic molecular beam injection pulse and the modulation amplitude decreases with increasing electron density at the same ECW injection power and decreasing ECW power at the same electron density, respectively. Analysis revealed that a critical value of electron temperature gradient (ETG) triggers the density fluctuations, and the intensity of the relative density fluctuations is positively correlated with the ETG and approximately inversely proportional to the effective collision frequency. With plasma parameters similar to those of EXL-50 experiments, the HD7 code simulations demonstrate that trapped electron mode (TEM) turbulence can be excited by ETG higher than the critical value observed in the experiment. In addition, the dependence of the mode growth rate (supposed to be proportional to the saturation level of fluctuations in quasi-linear theory) and the measured intensity of the density fluctuations is comparable. The simulated outward particle flux integrated over the poloidal wave number spectrum is significant and proportional to ETG. These observations demonstrate that the density fluctuation is TEM turbulence, which is driven by ETG and induces particle pump-out when the electron density/effective electron collision frequency is low. The potential relevance of this work with the controls of plasma profiles, impurities, helium ash, and heat transport in future reactors of similar low effective collision frequency is also discussed.
中心ソレノイドを有さない球状トーラスXuanLong-50（EXL-50）において、電子サイクロトロン波（ECW）のみで加熱されたプラズマで、低周波数（<200 kHz）密度揺動によって誘起される粒子ポンプアウト効果が観測された。相対密度揺動の強度は、ECWパワーの増加とともに増大し、プラズマ電流を維持しながらECWをオフにすると減衰した。密度揺動が完全に存在しない場合、電子密度は比較的高く安定に維持され、これは電子の外向き輸送がECWの粒子ポンプアウト効果によって支配されていることを示している。密度揺動は超音速分子ビーム入射パルスによって変調され、その変調振幅は、同じECW入射パワーでは電子密度の増加とともに減少し、同じ電子密度ではECWパワーの減少とともに減少した。解析により、電子温度勾配（ETG）の臨界値が密度揺動を引き起こすことが明らかになり、相対密度揺動の強度はETGと正の相関を示し、実効衝突周波数にほぼ反比例することが示された。EXL-50実験と類似のプラズマパラメータを用いたHD7コードシミュレーションは、実験で観測された臨界値より高いETGによって捕捉電子モード（TEM）乱流が励起され得ることを実証した。さらに、モード成長率（準線形理論では揺動の飽和レベルに比例すると考えられる）の依存性と、測定された密度揺動の強度の依存性は同等であった。ポロイダル波数スペクトルにわたって積分されたシミュレーション上の外向き粒子束は有意であり、ETGに比例する。これらの観測は、密度揺動がTEM乱流であり、ETGによって駆動され、電子密度/実効電子衝突周波数が低いときに粒子ポンプアウトを誘発することを示している。同様の低実効衝突周波数を有する将来の炉におけるプラズマ分布、不純物、ヘリウム灰、および熱輸送の制御に対する本研究の潜在的な関連性についても議論される。