Developing avoidance or mitigation strategies of runaway electrons (REs) in magnetic confinement fusion (MCF) plasmas is of crucial importance for the safe operation of ITER. In order to develop these strategies, an accurate diagnostic capability that allows good estimates of the RE distribution function in these plasmas is needed. Synchrotron radiation (SR) of RE in MCF, besides of being one of the main damping mechanisms for RE in the high energy relativistic regime, is routinely used in current MCF experiments to infer the parameters of RE energy and pitch angle distribution functions. In the present paper we address the long standing question about what are the relationships between different REs distribution functions and their corresponding synchrotron emission simultaneously including: full-orbit effects, information of the spectral and angular distribution of SR of each electron, and basic geometric optics of a camera. We study the spatial distribution of the SR on the poloidal plane, and the statistical properties of the expected value of the synchrotron spectra of REs. We observe a strong dependence of the synchrotron emission measured by the camera on the pitch angle distribution of runaways, namely we find that crescent shapes of the spatial distribution of the SR as measured by the camera relate to RE distributions with small pitch angles, while ellipse shapes relate to distributions of runaways with larger the pitch angles. A weak dependence of the synchrotron emission measured by the camera with the RE energy, value of the q-profile at the edge, and the chosen range of wavelengths is observed. Furthermore, we find that oversimplifying the angular dependence of the SR changes the shape of the synchrotron spectra, and overestimates its amplitude by approximately 20 times for avalanching runaways and by approximately 60 times for mono-energetic distributions of runaways1.
磁場閉じ込め核融合（MCF）プラズマにおける逃走電子（RE）の回避・緩和戦略の開発は、ITERの安全運転にとって極めて重要である。これらの戦略を開発するためには、これらのプラズマ中のRE分布関数を良好に推定できる診断能力が必要である。MCFにおけるREのシンクロトロン放射（SR）は、高エネルギー相対論的領域におけるREの主要な減衰機構の一つであることに加え、現在のMCF実験においてREのエネルギーおよびピッチ角分布関数のパラメータを推定するために日常的に使用されている。本論文では、異なるRE分布関数とそれに対応するシンクロトロン放射の間の関係が何であるかという長年の疑問に、フルオービット効果、各電子のSRのスペクトルおよび角度分布の情報、ならびにカメラの基本幾何光学を同時に含めて取り組む。我々は、ポロイダル面上におけるSRの空間分布と、REのシンクロトロンスペクトルの期待値の統計的性質を研究する。カメラによって測定されたシンクロトロン放射が、逃走電子のピッチ角分布に強く依存することを観測する。すなわち、カメラによって測定されたSRの空間分布の三日月形状は、小さなピッチ角を持つRE分布に関連し、一方、楕円形状は、より大きなピッチ角を持つ逃走電子の分布に関連することが分かる。カメラによって測定されたシンクロトロン放射の、REエネルギー、端部におけるqプロファイルの値、および選択された波長範囲への弱い依存性が観測される。さらに、角度依存性を過度に単純化すると、シンクロトロンスペクトルの形状が変化し、その振幅が、なだれ的逃走電子では約20倍、単一エネルギーの逃走電子分布では約60倍過大評価されることが分かる1。