The present operating high-field compact spherical tokamak ST40 is an important step toward an ST-based fusion reactor (Gryaznevich and Asunta 2017 Fusion Eng. Des.123 177; McNamara 2023 Nucl. Fusion 63 054002). Temperature and density profiles and their uncertainties in recent hot ion ST40 plasmas with central ion temperatures exceeding 8.6 keV, have been inferred using an integrated analysis of several diagnostics including line-of-sight integration and volume average measurements, as well as limited profile information from a charge-exchange-recombination spectrometer. A linear gyrokinetic stability analysis has been carried out to identify the most unstable micro-instabilities in these hot ion plasmas. In one of these plasmas, it is found that linear growth rates of both ion- and electron-scale ( where kθ is the poloidal wavenumber and ρs is the ion gyro-radius with sound speed) modes decrease from the edge toward the core of the plasma (i.e. from ρ = 0.8 to 0.3 where ρ is the square root of the normalized magnetic flux), while the change of linear growth rates at is non-monotonic. In particular, at ρ = 0.3 no unstable mode was found at , and about an order of magnitude reduction in the maximum linear growth rate in the ion-scale wavenumber range of is seen at ρ = 0.3 compared with the ρ = 0.8 location. It is found through parametric scans that while the ion temperature gradient (ITG) mode/trapped electron mode (TEM) and kinetic ballooning mode (KBM)/kinetic shear Alfvén (KSA) mode are more important in the plasma core, ubiquitous mode (UM) is found to be the important ion-scale instability at . At ρ = 0.8, two instabilities are found at the electron scale, with one being the typical electrostatic electron temperature gradient (ETG) mode at ρe scale and beyond and the other being an unidentified low-real-frequency instability (at the intermediate scale between electron and ion gyroradii) which can propagate in the ion direction and is driven by ETG. The existence of UM at the ion scale and the low-real-frequency instability and ETG mode at the electron scale at ρ = 0.8 is supported by an extensive linear gyrokinetic stability analysis of another ST40 hot ion plasma in a wider parametric range, taking into account the uncertainties in the experimental profiles.
現在運転中の高磁場コンパクト球状トカマクST40は、STベースの核融合炉に向けた重要なステップである（Gryaznevich and Asunta 2017 Fusion Eng. Des.123 177; McNamara 2023 Nucl. Fusion 63 054002）。中心イオン温度が8.6 keVを超える最近の高温イオンST40プラズマにおける温度・密度プロファイルとその不確かさは、視線積分測定や体積平均測定を含む複数の診断法と、電荷交換再結合分光器からの限られたプロファイル情報を統合した解析を用いて推定された。これらの高温イオンプラズマにおける最も不安定な微視的不安定性を特定するために、線形ジャイロ運動論的安定性解析が実施された。これらのプラズマのうちの1つでは、イオンスケールおよび電子スケール（ここでkθはポロイダル波数、ρsは音速イオンジャイロ半径）の両方のモードの線形成長率が、プラズマ周辺部から中心部に向かって（すなわちρ = 0.8から0.3へ、ここでρは規格化磁束の平方根）減少することが見出された一方、線形成長率の変化は非単調であった。特に、ρ = 0.3では不安定モードは見出されず、イオンスケールの波数範囲における最大線形成長率は、ρ = 0.8の位置と比較してρ = 0.3で約1桁の減少が見られた。パラメトリック走査を通じて、イオン温度勾配（ITG）モード／捕捉電子モード（TEM）および運動論的バルーニングモード（KBM）／運動論的シア・アルフヴェン（KSA）モードはプラズマ中心部でより重要である一方、ユビキタスモード（UM）がρ = 0.8において重要なイオンスケール不安定性であることが見出された。ρ = 0.8では、電子スケールで2つの不安定性が見出され、1つはρeスケール以降における典型的な静電電子温度勾配（ETG）モードであり、もう1つは電子とイオンのジャイロ半径の中間スケールで、イオン方向に伝播しETGによって駆動される、同定されていない低実周波数不安定性であった。ρ = 0.8におけるイオンスケールでのUMの存在と、電子スケールでの低実周波数不安定性およびETGモードの存在は、実験プロファイルの不確かさを考慮した、より広いパラメータ範囲における別のST40高温イオンプラズマの広範な線形ジャイロ運動論的安定性解析によって支持されている。