Energetic electron-driven beta-induced Alfvén eigenmodes (e-BAEs) around 20 kHz are observed in J-TEXT electron cyclotron resonance heating (ECRH) plasmas, and their frequency and intensity are positively correlated with the ECRH power. Experimental measurements indicate that the e-BAE propagates in the electron diamagnetic drift direction, with poloidal and toroidal mode numbers m/n = −4/−1. Statistical analysis and Alfvén continuum simulations imply that the mode frequency is positively correlated with the Alfvén velocity, being consistent with the general fishbone-like dispersion relation, and locates in the BAE gap of the Alfvén continuum. Further calculation evaluation entails that this e-BAE is most likely to be excited by 5–9 keV trapped energetic electrons around q = 4 rational surface, via precession resonance. Numerical simulations using the FAR3d code successfully reproduce the e-BAE, showing good agreement with experimental results in both mode number, frequency and growth rate. Simulation results show that the growth rate of e-BAE increases linearly with the energetic electron beta, as well as the frequency displays a positive correlation with the energetic electron pressure and a negative correlation with the characteristic trapping length of energetic electrons. The simulated eigenfunction of the e-BAE also presents that the mode is localized to a narrow region around the q = 4 rational surface, close to the plasma edge. This paper reports the first application of the FAR3d code to simulate energetic electron-driven instabilities, demonstrating its potential for studying such physical phenomena.
J-TEXTの電子サイクロトロン共鳴加熱(ECRH)プラズマにおいて、約20 kHzの高エネルギー電子駆動ベータ誘起アルヴェン固有モード(e-BAEs)が観測され、その周波数と強度はECRHパワーと正の相関を示す。実験測定により、e-BAEは電子反磁性ドリフト方向に伝播し、ポロイダル及びトロイダルモード数はm/n = −4/−1であることが示される。統計解析とアルヴェン連続体シミュレーションは、モード周波数がアルヴェン速度と正の相関を持つことを示唆しており、これは一般的なフィッシュボーン様分散関係と一致し、アルヴェン連続体のBAEギャップに位置する。さらなる計算評価により、このe-BAEは、歳差共鳴を介して、q = 4有理面近傍の5–9 keVの捕捉高エネルギー電子によって励起される可能性が最も高いことが示される。FAR3dコードを用いた数値シミュレーションはe-BAEを再現することに成功し、モード数、周波数、成長率のいずれにおいても実験結果と良好な一致を示す。シミュレーション結果は、e-BAEの成長率が高エネルギー電子ベータとともに線形に増加し、また周波数が高エネルギー電子圧力と正の相関、高エネルギー電子の特性捕捉長と負の相関を示すことを示す。e-BAEのシミュレーション固有関数はまた、モードがプラズマ端近傍のq = 4有理面周辺の狭い領域に局在することを示す。本論文は、高エネルギー電子駆動不安定性のシミュレーションへのFAR3dコードの初めての適用を報告し、そのような物理現象を研究するための可能性を示すものである。