Spherical tokamak plasmas are typically overdense and thus inaccessible to externally-injected microwaves in the electron cyclotron range. The electrostatic electron Bernstein wave (EBW), however, provides a method to access the plasma core for heating and diagnostic purposes. Understanding the details of the coupling process to electromagnetic waves is thus important both for the interpretation of microwave diagnostic data and for assessing the feasibility of EBW heating and current drive. While the coupling is reasonably well–understood in the linear regime, nonlinear physics arising from high input power has not been previously quantified. To tackle this problem, we have performed one- and two-dimensional fully kinetic particle-in-cell simulations of the two possible coupling mechanisms, namely X-B and O-X-B mode conversion. We find that the ion dynamics has a profound effect on the field structure in the nonlinear regime, as high amplitude short-scale oscillations of the longitudinal electric field are excited in the region below the high-density cut-off prior to the arrival of the EBW. We identify this effect as the instability of the X wave with respect to resonant scattering into an EBW and a lower-hybrid wave. We calculate the instability rate analytically and find this basic theory to be in reasonable agreement with our simulation results.
球状トカマクプラズマは典型的には高密度であり、したがって電子サイクロトロン周波数帯の外部入射マイクロ波に対して不透明である。しかし、静電的電子バーンスタイン波(EBW)は、加熱および計測の目的でプラズマ中心部へのアクセス手段を提供する。電磁波への結合過程の詳細を理解することは、マイクロ波計測データの解釈とEBW加熱・電流駆動の実現可能性の評価の両方にとって重要である。結合は線形領域ではかなりよく理解されているが、高い入力パワーに起因する非線形物理はこれまで定量化されていなかった。この問題に取り組むため、我々は2つの可能な結合メカニズム、すなわちX-BおよびO-X-Bモード変換について、1次元および2次元の完全運動論的粒子インセルシミュレーションを実行した。その結果、イオン力学が非線形領域における電場構造に大きな影響を与えることがわかった。これは、EBWの到着前に高密度遮断領域の下方で縦電場の高振幅・短波長振動が励起されるためである。我々はこの効果を、EBWと下部ハイブリッド波への共鳴散乱に関するX波の不安定性として同定する。我々はこの不安定性の成長率を解析的に計算し、この基本理論がシミュレーション結果と合理的に一致することを見出した。