Conventional electron cyclotron heating using the O- and X-modes to carry energy from the plasma edge to the cyclotron resonance layer is not possible for high density, low magnetic field devices (RFPs and STs, for example), since these modes are evanescent in all but the very edge of the plasma. As an alternative, we consider coupling to the electron Bernstein wave (EBW) with a phased waveguide array, the mouth of which is inserted to the vicinity of the upper hybrid resonance at the edge of the plasma. The calculation of the waveguide reflection coefficient is similar to the lower hybrid coupling problem solved by Brambilla, but the character of the plasma surface admittance is quite different for the EBW from that for the lower hybrid wave. Two models for the surface admittance are compared. In the first, the lowest-order EBW is included in the calculation, while in the second, the cold plasma model (which does not have any mode corresponding to the EBW) with weak collisions is used. The surface admittances obtained in those two models for parameters relevant to coupling experiments performed in the Madison symmetric torus (MST) are compared, and found to agree closely, despite the very different physics in the models. A significant asymmetry with respect to the direction mutually perpendicular to the static magnetic field and the radial direction (the poloidal direction in tokamak geometry, the toroidal direction in the edge of the RFP) is found. This phenomenon is related to the well-known up/down asymmetry in fast wave launch in the ion cyclotron radio frequency and to the up/down asymmetry previously reported for the fast wave in the lower hybrid radio frequency. The effect is very strong in this situation due to the density gradient scale length being much shorter than the local wavelength (violation of WKB condition) in the coupling region.
従来の電子サイクロトロン加熱では、OモードおよびXモードを用いてプラズマ端からサイクロトロン共鳴層までエネルギーを輸送するが、高密度・低磁場の装置（例えばRFPやST）では、これらのモードはプラズマの最外縁部を除いてエバネッセントとなるため、適用不可能である。代替案として、位相配列導波管を用いた電子バーンスタイン波（EBW）への結合を検討する。この導波管の開口部は、プラズマ端部の上部混成共鳴の近傍に挿入される。導波管の反射係数の計算は、Brambillaが解いた下部混成波結合問題と類似しているが、プラズマ表面アドミッタンスの特性は、EBWと下部混成波とでは大きく異なる。本論文では、表面アドミッタンスの2つのモデルを比較する。第1のモデルでは最低次のEBWを計算に含め、第2のモデルでは弱い衝突を伴う冷プラズマモデル（EBWに対応するモードを持たない）を用いる。マディソン対称トーラス（MST）における結合実験に関連するパラメータに対して、これら2つのモデルから得られる表面アドミッタンスを比較した結果、モデル内の物理が大きく異なるにもかかわらず、両者は密接に一致することが判明した。さらに、静磁場および動径方向の両方に垂直な方向（トカマク幾何学ではポロイダル方向、RFPの端部ではトロイダル方向）に関して、顕著な非対称性が見出された。この現象は、イオンサイクロトロン周波数帯における高速波の励起でよく知られた上下非対称性、および下部混成周波数帯の高速波について以前報告された上下非対称性に関連するものである。この効果は、結合領域において密度勾配長が局所波長よりもはるかに短い（WKB条件の破れ）ため、この状況では非常に強いものとなる。