Ion cyclotron emission (ICE) is detected from all large toroidal magnetically confined fusion (MCF) plasmas. It is a form of spontaneous suprathermal radiation, whose spectral peak frequencies correspond to sequential cyclotron harmonics of energetic ion species, evaluated at the emission location. In ICE phenomenology, an important parameter is the value of the ratio of energetic ion velocity to the local Alfvén speed . Here we focus on ICE measurements from heliotron-stellarator hydrogen plasmas, heated by energetic proton neutral beam injection (NBI) in the large helical device, for which takes values both larger (super-Alfvénic) and smaller (sub-Alfvénic) than unity. The collective relaxation of the NBI proton population, together with the thermal plasma, is studied using a particle-in-cell (PIC) code. This evolves the Maxwell–Lorentz system of equations for hundreds of millions of kinetic gyro-orbit-resolved ions and fluid electrons, self-consistently with the electric and magnetic fields. For LHD-relevant parameter sets, the spatiotemporal Fourier transforms of the fields yield, in the nonlinear saturated regime, good computational proxies for the observed ICE spectra in both the super-Alfvénic and sub-Alfvénic regimes for NBI protons. At early times in the PIC treatment, the computed growth rates correspond to analytical linear growth rates of the magnetoacoustic cyclotron instability (MCI), which was previously identified to underlie ICE from tokamak plasmas. The spatially localised PIC treatment does not include toroidal magnetic field geometry, nor background gradients in plasma parameters. Its success in simulating ICE spectra from both tokamak and, here, heliotron-stellarator plasmas suggests that the plasma parameters and ion energetic distribution at the emission location largely determine the ICE phenomenology. This is important for the future exploitation of ICE as a diagnostic for energetic ion populations in MCF plasmas. The capability to span the super-Alfvénic and sub-Alfvénic energetic ion regimes is a generic challenge in interpreting MCF plasma physics, and it is encouraging that this first principles computational treatment of ICE has now achieved this.
イオン・サイクロトロン放射(ICE)は、すべての大型トーラス型磁場閉じ込め核融合(MCF)プラズマから検出される。これは自発的超熱的放射の一形態であり、そのスペクトルピーク周波数は、放出位置で評価された高エネルギーイオン種の連続するサイクロトロン高調波に対応する。ICEの現象論において、重要なパラメータは、高エネルギーイオン速度の局所アルフヴェン速度に対する比の値である。ここでは、大型ヘリカル装置において高エネルギープロトン中性粒子ビーム入射(NBI)によって加熱されたヘリオトロン・ステラレーター水素プラズマからのICE計測に焦点を当てる。このプラズマでは、その比は1より大きい値(超アルフヴェン的)と小さい値(亜アルフヴェン的)の両方をとる。NBIプロトン集団の熱プラズマとの集団的緩和を、粒子セル(PIC)コードを用いて研究した。これは、数億個の運動論的ジャイロ軌道分解イオンと流体電子に対するマクスウェル・ローレンツ方程式系を、電場・磁場と自己無撞着に時間発展させる。LHD関連のパラメータセットに対して、場の時空間フーリエ変換は、非線形飽和領域において、NBIプロトンに対する超アルフヴェン的領域と亜アルフヴェン的領域の両方で、観測されたICEスペクトルの良好な計算上の代理指標を与える。PIC処理の初期段階では、計算された成長率は、以前にトカマクプラズマからのICEの根底にあると同定された磁気音響サイクロトロン不安定性(MCI)の解析的線形成長率に対応する。空間的に局在したPIC処理は、トロイダル磁場形状も、プラズマパラメータの背景勾配も含まない。トカマクおよびここでのヘリオトロン・ステラレータープラズマの両方からのICEスペクトルのシミュレーションの成功は、放出位置におけるプラズマパラメータとイオン高エネルギー分布がICEの現象論を大きく決定することを示唆している。これは、MCFプラズマにおける高エネルギーイオン集団の診断法としてのICEの将来の活用にとって重要である。超アルフヴェン的および亜アルフヴェン的高エネルギーイオン領域にわたる能力は、MCFプラズマ物理の解釈における一般的な課題であり、この第一原理計算によるICEの取り扱いが今回これを達成したことは心強い。