In this paper we show that the kinetic instabilities associated with runaway electron beams play an essential role for the production of high-level non-thermal electron–cyclotron-emission (ECE) radiation. Most of the non-thermal ECE comes from runaway electrons in the low-energy regime with large pitch angle, which are strongly scattered by the excited whistler waves. The power of ECE from runaway electrons is obtained using a synthetic diagnostic model based on the reciprocity method. The electron distribution function is calculated using a kinetic simulation model including the whistler wave instabilities and the quasilinear diffusion effects. Simulations based on DIII-D low-density discharge reproduces the rapid growth of the ECE signals observed in DIII-D experiments. Unlike the thermal ECE where radiation for a certain frequency is strongly localized inside the resonance region, the non-thermal ECE radiation from runaway electrons is nonlocal, and the emission-absorption ratio is higher than that of thermal electrons. The runaway electron tail is more significant for ECE with higher frequencies, and the ECE spectrum becomes flatter as RE population grows. The nonlinear behavior of the kinetic instabilities is illustrated in the oscillations of the ECE waves. The good agreement with the DIII-D experimental observations after including the kinetic instabilities clearly illustrate the significance of the scattering effects from wave-particle interactions, which can also be important for runaway electrons produced in disruptions.
本論文では、逃走電子に伴う運動論的不安定性が、高レベルの非熱的電子サイクロトロン放射（ECE）の生成に本質的な役割を果たすことを示す。非熱的ECEの大部分は、励起されたホイッスラー波によって強く散乱される、低エネルギー領域かつ大ピッチ角の逃走電子に由来する。逃走電子からのECEパワーは、相反定理に基づく合成診断モデルを用いて算出される。電子分布関数は、ホイッスラー波不安定性と準線形拡散効果を含む運動論的シミュレーションモデルによって計算される。DIII-D低密度放電に基づくシミュレーションは、DIII-D実験で観測されたECE信号の急速な成長を再現する。特定の周波数に対する放射が共鳴領域内に強く局在する熱的ECEとは異なり、逃走電子からの非熱的ECE放射は非局所的であり、その放射・吸収比は熱的電子のそれよりも高い。逃走電子テールは高周波数のECEに対してより顕著であり、ECEスペクトルは逃走電子集団の増大に伴ってより平坦になる。運動論的不安定性の非線形挙動は、ECE波の振動として示される。運動論的不安定性を考慮した後のDIII-D実験観測との良好な一致は、波動・粒子相互作用による散乱効果の重要性を明確に示しており、この効果はディスラプション時に生成される逃走電子にとっても重要であり得る。