We introduce a new approach to measure the magnetic pitch angle profile in tokamak plasmas with Doppler backscattering (DBS), a technique traditionally used for measuring flows and density fluctuations. The DBS signal is maximised when its probe beam’s wavevector is perpendicular to the magnetic field at the cutoff location, independent of the density fluctuations (Hillesheim et al 2015 Nucl. Fusion55 073024). Hence, if one could isolate this effect, DBS would then yield information about the magnetic pitch angle. By varying the toroidal launch angle, the DBS beam reaches cutoff with different angles with respect to the magnetic field, but with other properties remaining similar. Hence, the toroidal launch angle which gives maximum backscattered power is thus that which is matched to the pitch angle at the cutoff location, enabling inference of the magnetic pitch angle. We performed systematic scans of the DBS toroidal launch angle for repeated DIII-D tokamak discharges. Experimental DBS data from this scan were analysed and combined with Gaussian beam-tracing simulations using the Scotty code (Hall-Chen et al 2022 Plasma Phys. Control. Fusion64 095002). The pitch-angle inferred from DBS is consistent with that from magnetics-only and motional-Stark-effect-constrained (MSE) equilibrium reconstruction in the edge. In the core, the pitch angles from DBS and magnetics-only reconstructions differ by one to two degrees, while simultaneous MSE measurements were not available. The uncertainty in these measurements was under a degree; we show that this uncertainty is primarily due to the error in toroidal steering, the number of toroidally separated measurements, and shot-to-shot repeatability. We find that the error of pitch-angle measurements can be reduced by optimising the poloidal launch angle and initial beam properties. Since DBS has high spatial and temporal resolutions, is non-perturbative, does not require neutral beams, and is likely robust to neutron damage of and debris on the first mirrors, using DBS to measure the pitch angle in future fusion energy systems is especially appealing.
我々は、従来フローと密度揺動の測定に用いられてきた技術であるドップラー後方散乱（DBS）を用いて、トカマクプラズマ中の磁気ピッチ角分布を測定する新しい手法を紹介する。DBS信号は、そのプローブビームの波数ベクトルがカットオフ位置における磁場に垂直であるときに最大化され、これは密度揺動とは無関係である（Hillesheim et al 2015 Nucl. Fusion55 073024）。したがって、この効果を分離することができれば、DBSは磁気ピッチ角に関する情報をもたらすことになる。トロイダル入射角を変化させることにより、DBSビームは磁場に対して異なる角度でカットオフに達するが、他の特性はほぼ同様に保たれる。したがって、最大の後方散乱パワーを与えるトロイダル入射角は、カットオフ位置におけるピッチ角に一致するものであり、これにより磁気ピッチ角の推定が可能となる。我々は、繰り返し行われたDIII-Dトカマク放電に対して、DBSトロイダル入射角の系統的スキャンを実施した。このスキャンからの実験DBSデータを解析し、Scottyコードを用いたガウスビームトレーシングシミュレーションと組み合わせた（Hall-Chen et al 2022 Plasma Phys. Control. Fusion64 095002）。DBSから推定されたピッチ角は、周辺部における磁気測定のみおよびモーションスターク効果拘束（MSE）平衡再構成からのものと一致する。コアでは、DBSと磁気測定のみの再構成からのピッチ角は1〜2度異なるが、同時のMSE測定は利用できなかった。これらの測定の不確かさは1度未満であった。我々は、この不確かさが主にトロイダルステアリングの誤差、トロイダル方向に分離された測定の数、およびショット間再現性に起因することを示す。我々は、ポロイダル入射角と初期ビーム特性を最適化することにより、ピッチ角測定の誤差を低減できることを見いだす。DBSは高い空間分解能と時間分解能を有し、非摂動的であり、中性粒子ビームを必要とせず、第一ミラーの中性子損傷およびデブリ付着に対しても頑健である可能性が高いため、将来の核融合エネルギーシステムにおいてピッチ角を測定するためにDBSを用いることは特に魅力的である。