The physics of impurity transport in response to a local gas injection in the scrape-off layer (SOL) of Alcator C-Mod is investigated. Carbon 'plumes' are formed at variable locations in the SOL—up to the separatrix—by puffing deuterated ethylene gas (C2D4) through the end of a reciprocating fast-scanning probe. CCD cameras are used to simultaneously record CII and CIII emission patterns from two near-perpendicular views. The plume dispersal patterns are found to yield direct qualitative information about plasma flow, including the direction of vE × B near the separatrix. Impurity transport and plasma–surface interaction physics implicit in the three-dimensional plume structure are explored in detail using a Monte Carlo impurity transport code, with the aim of extracting background plasma-flow quantities. A number of important local effects involving plasma–probe interactions have been identified: a vertical E × B drift near the probe surface, a parallel electric field above the probe tip arising from plasma recycling off the probe surface, and sputtering of a carbon layer that dynamically forms on the probe surface. The emission patterns are also found to yield important information on flows in the SOL: the radial electric field (Er) in the near SOL and volume-averaged values of the parallel Mach number (M∥) in the far SOL. The Er values obtained from plume data compare favourably with estimates of Er based on the poloidal propagation velocity of edge plasma fluctuations measured using the scanning probe. Emission patterns obtained in EDA H-mode suggest that the radial electric field changes sign at the location of the associated quasi-coherent mode layer. Comparisons between parallel Mach numbers obtained from the plume data and probe measurements indicate that the probe over-estimates the parallel flow towards the divertor in the far SOL. This result supports the picture of particle balance in the SOL of Alcator C-Mod being dominated by main-chamber recycling, with weak plasma flow into the divertor.
アルカトルC-Modのスクレイプオフ層（SOL）における局所ガス注入に応答した不純物輸送の物理を調査した。往復高速走査プローブの先端から重水素化エチレンガス（C2D4）を注入し、SOL内の可変位置（セパラトリクスまで）に炭素「プルーム」を形成した。CCDカメラを用いて、ほぼ垂直な2方向からCIIおよびCIII発光パターンを同時に記録した。プルームの拡散パターンは、セパラトリクス近傍のvE×Bの方向を含むプラズマ流に関する直接的な定性的情報を与えることがわかった。3次元プルーム構造に内在する不純物輸送およびプラズマ–表面相互作用の物理を、モンテカルロ不純物輸送コードを用いて詳細に調べ、背景プラズマ流の定量化を試みた。プラズマ–プローブ相互作用に関わるいくつかの重要な局所効果が特定された：プローブ表面近傍の垂直方向E×Bドリフト、プローブ表面からのプラズマリサイクリングに起因するプローブ先端上方の平行電場、およびプローブ表面に動的に形成される炭素層のスパッタリングである。また、発光パターンはSOL内の流れに関する重要な情報を与えることも判明した：近接SOL領域の径方向電場（Er）および遠方SOL領域の平行マッハ数（M∥）の体積平均値である。プルームデータから得られたEr値は、走査プローブを用いて測定されたエッジプラズマ変動のポロイダル伝播速度に基づくEr推定値と良好に一致した。EDA Hモードで得られた発光パターンは、関連する準コヒーレントモードの位置で径方向電場が符号を変えることを示唆している。プルームデータから得られた平行マッハ数とプローブ測定値の比較から、プローブは遠方SOL領域においてダイバータ方向への平行流を過大評価することが示された。この結果は、アルカトルC-ModのSOLにおける粒子バランスが主チャンバー壁でのリサイクリングによって支配され、ダイバータへのプラズマ流が弱いという描像を支持するものである。