Measurements of ion cyclotron emission (ICE) are planned for magnetically confined fusion plasmas heated by neutral beam injection (NBI) in the Wendelstein 7-X stellarator (W7-X). Freshly injected NBI ions in the edge region, whose velocity-space distribution function approximates a delta-function, are potentially unstable against the magnetoacoustic cyclotron instability (MCI), which could drive a detectable ICE signal. Prediction of ICE from NBI protons in W7-X hydrogen plasmas is challenging, owing to the low ratio of the ions' perpendicular velocity to the local Alfvén speed, . We address this from first principles, using the particle-in-cell kinetic code EPOCH. This self-consistently solves the Lorentz force equation and Maxwell's equations for tens of millions of computational ions (both thermal majority and energetic NBI minority) and electrons, fully resolving gyromotion and hence capturing the cyclotron resonant phenomenology which gives rise to ICE. Our simulations predict an ICE signal which is predominantly electrostatic while incorporating a significant electromagnetic component. Its frequency power spectrum reflects novel MCI physics, reported here for the first time. The NBI ions relaxing under the MCI first drive broadband field energy at frequencies a little below the lower hybrid frequency across the wavenumber range –60, where ωc and VA denote ion cyclotron frequency and Alfvén velocity. Nonlinear coupling between these waves then excites spectrally structured ICE with narrow peaks, at much lower frequencies, typically the proton cyclotron frequency and its lower harmonics. The relative strength of these peaks depends on the specifics of the NBI ion velocity-space distribution and of the local plasma conditions, implying diagnostic potential for the predicted ICE signal from W7-X.
イオンサイクロトロン放出（ICE）の測定は、ヴェンデルシュタイン7-Xステラレーター（W7-X）において中性粒子ビーム入射（NBI）によって加熱される磁気閉じ込め核融合プラズマに対して計画されている。周辺領域に新たに注入されたNBIイオンは、その速度空間分布関数がデルタ関数に近似し、磁気音響サイクロトロン不安定性（MCI）に対して潜在的に不安定であり、この不安定性が検出可能なICE信号を駆動し得る。W7-X水素プラズマ中のNBI陽子からのICEの予測は、イオンの垂直速度と局所アルフヴェン速度との比が低いことに起因して困難である。我々はこの問題を、particle-in-cell運動論コードEPOCHを用いて第一原理から扱う。これは、数千万個の計算イオン（熱的多数派と高エネルギーNBI少数派の両方）と電子に対してローレンツ力方程式とマクスウェル方程式を自己無撞着に解き、ジャイロ運動を完全に分解し、それによりICEを生じさせるサイクロトロン共鳴現象を捉える。我々のシミュレーションは、主として静電的でありながら有意な電磁的成分も含むICE信号を予測する。その周波数パワースペクトルは、ここで初めて報告される新しいMCI物理を反映している。MCIの下で緩和するNBIイオンは、まず、波数範囲 –60 にわたって、低混成周波数 の直下の周波数で広帯域の場のエネルギーを駆動する。ここで、ωc と VA はそれぞれイオンサイクロトロン周波数とアルフヴェン速度を表す。これらの波間の非線形結合は、次に、はるかに低い周波数、典型的には陽子サイクロトロン周波数とその低次高調波において、狭いピークを持つスペクトル構造を有する