Active control of scrape-off-layer (SOL) density is emerging as a critical requirement for improving ion cyclotron resonance heating (ICRH) and enabling high-performance steady-state operation in future magnetic-confinement fusion devices. Helicon wave excitation offers a promising physics-based approach to generating high-density boundary plasmas with high ionization efficiency and low impurity release. In this work, we develop THEMIS (Toroidal Helicon ElectroMagnetic Integrated Solver) model and code, a fully three-dimensional (3D) multiphysics model of helicon wave propagation and power deposition in a toroidal fusion-relevant configuration, employing a finite-temperature thermal dielectric tensor and full-vessel electromagnetic simulation constrained by experimentally measured magnetic-field and density profiles. The code quantifies the relative contributions of Doppler-shifted cyclotron damping, anomalous Doppler damping, collisional damping along the direction parallel to the magnetic field, and landau damping (LD), and demonstrates that slow-wave (Trivelpiece–Gould/TG) propagation and electron LD dominate the accessible heating regime in Helimak device. A comparative study of four planar antenna geometries under the present protruding-window configuration shows that geometric cutoffs and SOL density gradients severely limit power penetration into the core-accessible region. To address this constraint, we introduce a recessed-window launch scheme that positions the dielectric window inside the vacuum vessel and perform systematic parameter scans of window position, antenna geometry, and installation orientation. From these analyses, we identify the key physics-driven principles governing efficient helicon wave coupling in toroidal geometry: the importance of open-circuit termination, maximized strap length and width for enhanced slow-wave excitation, controlled inter-turn spacing, and sufficient clearance from metallic walls to avoid near-field suppression. Guided by these principles, we designed an optimized racetrack spiral antenna (SA) that increases absorption efficiency by more than an order of magnitude compared with conventional short-circuited rectangular SA. The results provide new insights into helicon wave interaction with toroidal boundary plasmas and establish a validated antenna–window co-design strategy for future helicon-assisted SOL density control and radio-frequency coupling enhancement in tokamaks.
スクレイプオフ層 (SOL) 密度の能動制御は、イオンサイクロトロン共鳴加熱 (ICRH) の改善と将来の磁気閉じ込め核融合装置における高性能定常運転を可能にするための重要な要件として浮上している。ヘリコン波励起は、高い電離効率と低い不純物放出を備えた高密度周辺プラズマを生成するための有望な物理的アプローチを提供する。本研究では、我々はTHEMIS (Toroidal Helicon ElectroMagnetic Integrated Solver) モデルおよびコードを開発する。これは、有限温度熱誘電テンソルと、実験的に測定された磁場および密度分布によって制約された全容器電磁シミュレーションを用いる、完全三次元 (3D) マルチフィジックスモデルである。このコードは、ドップラーシフトサイクロトロン減衰、異常ドップラー減衰、磁場に平行な方向に沿った衝突減衰、およびランダウ減衰 (LD) の相対的寄与を定量化し、遅波 (Trivelpiece–Gould/TG) 伝播と電子ランダウ減衰が Helimak 装置における到達可能な加熱領域を支配することを示す。現在の突出窓構成における4つの平面アンテナ形状の比較研究は、幾何学的カットオフとSOL密度勾配がコア到達可能領域への電力浸透を深刻に制限することを示している。この制約に対処するため、我々は誘電体窓を真空容器内部に配置する後退窓入射方式を導入し、窓位置、アンテナ形状、および設置方向の系統的なパラメータ走査を実施する。これらの解析から、我々はトロイダル幾何学における効率的なヘリコン波結合を支配する物理に基づく主要原理を特定する：すなわち、開放端終端の重要性、強化された遅波励起のための最大化されたストラップ長さと幅、制御されたターン間隔、および近接場抑制を避けるための金属壁からの十分なクリアランスである。これらの原理に導かれ、我々は従来の短絡矩形スパイラルアンテナ (SA) と比較して吸収効率を一桁以上向上させる最適化されたレーストラックスパイラルアンテナ (SA) を設計した。これらの結果は、トロイダル周辺プラズマとのヘリコン波相互作用に関する新たな知見を提供し、将来のトカマクにおけるヘリコン支援SOL密度制御および高周波結合強化のための検証されたアンテナ・窓共設計戦略を確立する。