The beam-based plasma diagnostics on ITER require high accuracy and reliability which accordingly put challenging requirements on the collisional–radiative (CR) models used for description of the excited states of beam atoms. These states are known to play an essential role in implementation and interpretation of neutral beam-based diagnostics, such as the motional Stark effect (MSE), charge-exchange recombination spectroscopy (CXRS), beam-emission spectroscopy (BES) and in the dynamics of beam penetration. The latest analyses demonstrate that the widely used assumption of statistical populations among the beam excited states is questionable for high beam energies and high magnetic fields. Here we report an empirical verification of the recently developed non-statistical nkm-resolved CR model (Marchuk et al 2010 J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys.43 011002) and the short extrapolation to the relevant parameter range for ITER. The experiment was performed on the Alcator C-Mod tokamak, which operates in a unique range of parameters well suited for testing CR models for ITER beams. Beam emission spectra are collected for a selected range of plasma parameters. The line ratios σ1/σ0, π4/π3 and Σσ/Σπ are measured and compared to the n-resolved statistical population model and the new non-statistical nkm-resolved CR model. The measured ratios show clear deviations from the statistical model and a good agreement with the non-statistical results. The difference between the experimental values and nkm-resolved simulations for the most part is within 10% for all three line ratios. The largest deviation here is for the σ1/σ0 ratio that reaches up to 14% for the lowest electron density of 0.6 × 1020 m−3. In contrast, the difference between experiment and the n-resolved (statistical) model is within 13–27% for the 50 keV/u Alcator C-Mod beam and expected to be up to 32% for 100 keV/u and up to 43% for 500 keV/u ITER beams. The discussed effect must be taken into account for the proposed CXRS/BES and MSE diagnostics for ITER.
ITERにおけるビームベースのプラズマ診断には高い精度と信頼性が要求され、それに伴い、励起状態のビーム原子の記述に用いられる衝突-放射（CR）モデルにも厳しい要件が課される。これらの励起状態は、モーションラル・シュタルク効果（MSE）、荷電交換再結合分光（CXRS）、ビーム発光分光（BES）などのビームベース診断の実施と解釈、ならびにビームの侵入ダイナミクスにおいて本質的な役割を果たすことが知られている。最新の解析により、高ビームエネルギーおよび高磁場条件下では、ビーム励起状態間の統計的分布を仮定する広く用いられている手法に疑問が呈されている。本論文では、最近開発された非統計的nkm分解CRモデル（Marchuk et al 2010 J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 43 011002）の実験的検証と、ITERに適用可能なパラメータ範囲への短外挿について報告する。実験はAlcator C-Modトカマクで実施され、この装置はITERビーム用CRモデルの検証に適した独自のパラメータ範囲で運転される。ビーム発光スペクトルは選択されたプラズマパラメータ範囲で収集され、線強度比σ1/σ0、π4/π3、およびΣσ/Σπを測定し、n分解統計モデルおよび新たな非統計的nkm分解CRモデルと比較した。測定された強度比は統計モデルから明確な偏差を示し、非統計的モデルの結果と良好な一致を示した。実験値とnkm分解シミュレーションの差は、3つの線強度比すべてにおいて概ね10%以内であった。最大の偏差はσ1/σ0比で観測され、最低電子密度0.6×10^20 m^-3において14%に達した。対照的に、n分解（統計）モデルとの差は、50 keV/uのAlcator C-Modビームでは13〜27%の範囲であり、100 keV/uでは32%、500 keV/uのITERビームでは43%に達すると予測される。ITER用に提案されているCXRS/BESおよびMSE診断においては、上述の効果を考慮する必要がある。