The electron cyclotron emission (ECE) in fusion devices is non-trivial to model in detail at frequencies well below the fundamental resonance where the plasma is optically thin. However, doing so is important for evaluating the background for microwave diagnostics operating in this frequency range. Here we present a general framework for estimating the ECE levels of fusion plasmas at such frequencies using ensemble-averaging of rays traced through many randomized wall reflections. This enables us to account for the overall vacuum vessel geometry, self-consistently include cross-polarization, and quantify the statistical uncertainty on the resulting ECE spectra. Applying this to ITER conditions, we find simulated ECE levels that increase strongly with frequency and plasma temperature in the considered range of 55–75 GHz. At frequencies smaller than 70 GHz, we predict an X-mode ECE level below 100 eV in the ITER baseline plasma scenario, but with corresponding intensities reaching keV levels in the hotter hybrid plasma scenario. Benchmarking against the SPECE raytracing code reveals good agreement under relevant conditions, and the predicted strength of X-mode to O-mode conversion induced by wall reflections is consistent with estimates from existing fusion devices. We discuss possible implications of our findings for ITER microwave diagnostics such as ECE, reflectometry, and collective Thomson scattering.
核融合装置における電子サイクロトロン放射（ECE）は、プラズマが光学的に薄い基本周波数より十分に低い周波数において、詳細にモデル化することが自明ではない。しかし、この周波数帯で動作するマイクロ波診断の背景を評価するためには、そのモデル化が重要である。本稿では、多数のランダム化された壁反射を通過する光線のアンサンブル平均を用いて、そのような周波数における核融合プラズマのECEレベルの推定を行う一般的な枠組みを提示する。これにより、真空容器全体の形状を考慮し、自己無撞着に交差偏波を含め、得られるECEスペクトルの統計的不確実性を定量化することが可能となる。この枠組みをITER条件に適用したところ、考慮した55〜75 GHzの範囲において、シミュレーションされたECEレベルは周波数とプラズマ温度とともに増加することが示された。70 GHz未満の周波数では、ITERベースラインシナリオにおいてXモードECEレベルは100 eV未満と予測されるが、より高温のハイブリッドシナリオでは対応する強度がkeVレベルに達する。SPECE光線追跡コードとのベンチマークにより、関連する条件下で良好な一致が示され、壁反射によって誘起されるXモードからOモードへの変換の予測強度は、既存の核融合装置からの推定値と整合的である。本稿では、ECE、反射測定、および集団トムソン散乱などのITERマイクロ波診断に対する我々の知見の潜在的影響について議論する。