The microwave synchrotron radiation in the sub-cyclotron frequency region has been systematically validated as a diagnostic method for runaway electrons (>1 MeV) with radiation modeling and experiments on the DIII-D tokamak. Experimental observations reveal that sub-cyclotron frequency microwave radiation emerges only after runaway electrons are excited during plasma disruptions. Electron gyro-magnetic radiation modeling confirms that only runaway electrons with energies exceeding 1 MeV can emit radiation in the observed sub-cyclotron frequency band on DIII-D. The synchrotron Razin and Beaming effects are modeled in both the sub-cyclotron and standard Electron Cyclotron Emission (ECE) frequency region. Due to the pronounced beaming effect, the modeling supports that a standard ECE system is insensitive to synchrotron radiation from beamed runaway electrons (), but very sensitive to ECE radiation from isotropic suprathermal electrons (100 keV or less). DIII-D experiments further show that combining ECE and sub-cyclotron receivers reveals new insights into transient runaway dynamics during the plateau phase. Certain transient crash events appear only in the sub-cyclotron band or lead to opposite changes on the sub-cyclotron and standard ECE signals, supporting models where transient MHD events can exert a different effect on electrons of different energy levels. This novel diagnostic technique offers a powerful tool for studying and detecting runaway electron dynamics in both present-day and high-field future tokamaks. The diagnostic approach has been extrapolated to the SPARC tokamak, where sub-cyclotron radiation is predicted to respond sensitively and solely to runaway electrons during SPARC’s L-mode startup phase.
サブサイクロトロン周波数領域におけるマイクロ波シンクロトロン放射は、DIII-Dトカマクにおける放射モデリングと実験により、逃走電子(>1 MeV)の診断手法として系統的に検証されてきた。実験的観測により、サブサイクロトロン周波数のマイクロ波放射は、プラズマディスラプション中に逃走電子が励起された後にのみ出現することが明らかになった。電子ジャイロ磁気放射モデリングは、DIII-Dにおいて観測されるサブサイクロトロン周波数帯の放射を放出できるのは、1 MeVを超えるエネルギーの逃走電子のみであることを確認している。シンクロトロンRazin効果とBeaming効果は、サブサイクロトロンおよび標準的な電子サイクロトロン放射(ECE)周波数領域の両方でモデル化されている。顕著なBeaming効果のため、このモデリングは、標準的なECEシステムが、ビーム状の逃走電子()からのシンクロトロン放射には鈍感であるが、等方的な超熱電子(100 keV以下)からのECE放射には非常に敏感であることを支持している。DIII-D実験はさらに、ECE受信機とサブサイクロトロン受信機を組み合わせることで、プラトー位相における過渡的な逃走電子ダイナミクスに関する新たな知見が得られることを示している。特定の過渡的クラッシュ事象は、サブサイクロトロン帯にのみ出現するか、またはサブサイクロトロン信号と標準的なECE信号に逆の変化をもたらし、過渡的MHD事象が異なるエネルギー準位の電子に異なる影響を及ぼし得るというモデルを支持する。この新しい診断技術は、現在のトカマクおよび高磁場の将来のトカマクの両方において、逃走電子ダイナミクスの研究と検出のための強力なツールを提供する。この診断手法はSPARCトカマクに外挿されており、SPARCのLモード立ち上げ段階では、サブサイクロトロン放射が逃走電子にのみ敏感に応答すると予測されている。