Spectra of passive fast-ion D-alpha (FIDA) light from beam ions that charge exchange with background neutrals are measured and simulated. The fast ions come from three sources: ions that pass through the diagnostic sightlines on their first full orbit, an axisymmetric confined population, and ions that are expelled into the edge region by instabilities. A passive FIDA simulation (P-FIDASIM) is developed as a forward model for the spectra of the first-orbit fast ions and consists of an experimentally-validated beam deposition model, an ion orbit-following code, a collisional-radiative model, and a synthetic spectrometer. Model validation consists of the simulation of 86 experimental spectra that are obtained using 6 different neutral beam fast-ion sources and 13 different lines of sight. Calibrated spectra are used to estimate the neutral density throughout the cross-section of the tokamak. The resulting 2D neutral density shows the expected increase toward each X-point with average neutral densities of at the plasma boundary and near the wall. Fast ions that are on passing orbits are expelled by the sawtooth instability more readily than trapped ions. In a sample discharge, approximately 1% of the fast-ion population is ejected into the high neutral density region per sawtooth crash.
背景中性粒子と電荷交換するビームイオンからの受動的高速イオンD-alpha (FIDA) 光のスペクトルを測定し、シミュレーションした。高速イオンは3つの源から来る: 最初の完全軌道で診断視線を通過するイオン、軸対称に閉じ込められた集団、そして不安定性によって周辺領域に排出されたイオン。受動FIDAシミュレーション(P-FIDASIM)は、最初の軌道の高速イオンのスペクトルのフォワードモデルとして開発され、実験的に検証されたビーム堆積モデル、イオン軌道追跡コード、衝突放射モデル、および合成分光器から構成される。モデル検証は、6つの異なる中性ビーム高速イオン源と13の異なる視線を用いて得られた86の実験スペクトルのシミュレーションからなる。較正されたスペクトルを用いて、トカマクの断面全体にわたる中性粒子密度を推定する。得られた2次元中性粒子密度は、各X点に向かって予想される増加を示し、平均中性粒子密度はプラズマ境界で 、壁近傍で である。パッシング軌道にある高速イオンは、トラップされたイオンよりも鋸歯状不安定性によって排出されやすい。サンプル放電では、高速イオン集団の約1%が鋸歯状クラッシュごとに高中性粒子密度領域へ排出される。