The radio frequency detection system on the KSTAR tokamak has exceptionally high spectral and temporal resolution. This enables measurement of previously undetected fast plasma phenomena in the ion cyclotron range of frequencies. Here we report and analyse a novel spectrally structured ion cyclotron emission (ICE) feature in the range 500 MHz to 900 MHz, which exhibits chirping on sub-microsecond timescales. Its spectral peaks correspond to harmonics l of the proton cyclotron frequency fcp at the outer midplane edge, where l = 20–36. This frequency range exceeds estimates of the local lower hybrid frequency fLH in the KSTAR deuterium plasma. The new feature is time-shifted with respect to a brighter lower-frequency chirping ICE feature in the range 200 MHz (8fcp) to 500 MHz (20fcp), which is probably driven (Chapman et al 2017 Nucl. Fusion57 124004) by 3 MeV fusion-born protons undergoing collective relaxation by the magnetoacoustic cyclotron instability (MCI). Here we show that the new, fainter, higher-frequency chirping ICE feature is driven by nonlinear wave coupling between different neighbouring spectral peaks in the lower-frequency ICE feature. This follows from bispectral analysis of the measured KSTAR fields, and of the field amplitudes output from particle-in-cell (PIC) simulations of the KSTAR edge plasma containing fusion-born protons. This reinforces the identification of the MCI as the plasma physics process underlying proton harmonic ICE from KSTAR, while providing a novel instance of nonlinear wave coupling on very fast timescales.
KSTARトカマクにおける高周波検出システムは、 exceptionally 高いスペクトル分解能と時間分解能を有する。これにより、イオンサイクロトロン周波数帯域における、これまで検出されていなかった高速プラズマ現象の測定が可能となる。本稿では、500 MHzから900 MHzの範囲における新規のスペクトル構造を持つイオンサイクロトロン放射（ICE）特徴を報告し、解析する。この特徴は、サブマイクロ秒の時間スケールでチャープ現象を示す。そのスペクトルピークは、外側中平面端部における陽子サイクロトロン周波数 fcp の高調波 l に対応し、ここで l = 20–36 である。この周波数範囲は、KSTAR重水素プラズマにおける局所低混成周波数 fLH の推定値を超えている。この新規特徴は、200 MHz（8fcp）から500 MHz（20fcp）の範囲における、より明るい低周波数のチャープICE特徴に対して時間的にシフトしている。後者は、おそらく（Chapmanら 2017 Nucl. Fusion57 124004）磁気音響サイクロトロン不安定性（MCI）による3 MeV核融合生成陽子の集団緩和によって駆動されている。本稿では、この新規の、より暗い高周波数のチャープICE特徴が、低周波数のICE特徴における異なる隣接スペクトルピーク間の非線形波動結合によって駆動されることを示す。これは、KSTARの測定電磁界およびKSTAR端部プラズマ中の核融合生成陽子を含む粒子インセル（PIC）シミュレーションからの電磁界振幅のバイスペクトル解析から導かれる。この結果は、KSTARからの陽子高調波ICEの基礎となるプラズマ物理過程としてのMCIの同定を強化し、非常に高速な時間スケールにおける非線形波動結合の新規な事例を提供するものである。