Ion cyclotron emission (ICE) driven by perpendicular neutral beam-injected (NBI) deuterons, together with the distinctive ICE driven by tangential NBI, have been observed from heliotron–stellarator plasmas in the large helical device (LHD). Radio frequency radiation in the lower hybrid range has also been observed Saito K. et al (2018 Plasma Fusion Res.13 3402043), with frequency dependent on plasma density. Here we focus on recent measurements of ICE from deuterium plasmas in LHD, which show substantial variation in spectral character, between otherwise similar plasmas that have different local density in the emitting region. We analyse this variation by means of first principles simulations, carried out using a particle-in-cell (PIC) kinetic approach. We show, first, that this ICE is driven by perpendicular NBI deuterons, freshly ionised near their injection point in the outer midplane edge of LHD. We find that these NBI deuterons undergo collective sub-Alfvénic relaxation, which we follow deep into the nonlinear phase of the magnetoacoustic cyclotron instability (MCI). The frequency and wavenumber dependence of the saturated amplitudes of the excited fields determine our simulated ICE spectra, and these spectra are obtained for different local densities corresponding to the different LHD ICE-emitting plasmas. The variation with density of the spectral character of the simulated ICE corresponds well with that of the observed ICE from LHD. These results from heliotron–stellarator plasmas complement recent studies of density-dependent ICE from tokamak plasmas in KSTAR Thatipamula S.G. et al (2016 Plasma Phys. Control. Fusion58 065003); Chapman B. et al (2017 Nucl. Fusion57 124004), where the spectra vary on sub-microsecond timescales after an ELM crash. Taken together, these results confirm the strongly spatially localised character of ICE physics, and reinforce the potential of ICE as a diagnostic of energetic ion populations and of the ambient plasma.
大型ヘリカル装置（LHD）におけるヘリオトロン・ステラレーター・プラズマから、垂直中性粒子ビーム入射（NBI）重陽子によって駆動されるイオンサイクロトロン放射（ICE）と、接線NBIによって駆動される特徴的なICEが観測されている。下部ハイブリッド周波数帯の高周波放射も観測されており、その周波数はプラズマ密度に依存する（Saito K. et al (2018 Plasma Fusion Res. 13 3402043)）。本稿では、LHDにおける重陽子プラズマからのICEの最近の測定に焦点を当てる。これらの測定では、放射領域の局所密度が異なるにもかかわらず、それ以外は類似したプラズマ間で、スペクトルの特徴に substantial な変化が見られる。この変化を、粒子インセル（PIC）運動論的手法を用いた第一原理シミュレーションによって解析する。まず、このICEが、外側中平面端部の注入点付近で新たに電離された垂直NBI重陽子によって駆動されることを示す。次に、これらのNBI重陽子が集団的な亜アルフヴェン緩和を起こし、これを磁気音響サイクロトロン不安定性（MCI）の非線形段階の深部まで追跡する。飽和した電場の周波数および波数依存性が、シミュレーションされたICEスペクトルを決定し、これらのスペクトルは、異なるLHDのICE放射プラズマに対応する異なる局所密度に対して得られる。シミュレーションされたICEスペクトルの密度に対する変化は、LHDから観測されたICEのそれとよく対応する。ヘリオトロン・ステラレーター・プラズマからのこれらの結果は、KSTARトカマクにおける密度依存性ICEの最近の研究（Thatipamula S.G. et al (2016 Plasma Phys. Control. Fusion 58 065003); Chapman B. et al (2017 Nucl. Fusion 57 124004)）を補完するものであり、そこではELMクラッシュ後のサブマイクロ秒時間スケールでスペクトルが変化する。総合すると、これらの結果は、ICE物理の強い空間的局在性を確認し、高エネルギー粒子集団および周辺プラズマの診断法としてのICEの可能性を強化するものである。