Noninductive plasma current start-up using 2nd harmonic electron cyclotron resonance heating (ECRH) with oblique radio frequency (RF) injection is demonstrated in a Q-shu University experiment with steady-state spherical tokamak. A strong transition was observed in the heating and plasma current ramp-up. The initial bulk electron heating regime exhibits Tebulk ∼ 140 eV and no hard x-ray (HXR) emission with a low Ip of ∼15 kA; it abruptly transitions to a regime that exhibits a low Tebulk of ∼10 eV and a strong HXR emission with a high Ip of ∼50 kA. This behavior is distinctly different from that observed in previous fundamental ECRH experiments. The mechanism of the heating and current drive transition are investigated considering wave power absorption and plasma power balance. The results indicate that the transition is caused by the favorable heating of tail electrons where the RF power absorption at the 2nd harmonic increases nearly linearly with Tetail, while the power transfer from the tail electrons to the bulk electrons decreases with 1/Tetail0.5. This causes a rapid transition to a state with high Tetail while reducing Tebulk towards colder ion temperature. The understanding of the transition mechanism helps to consider plasma current start-up using 2nd harmonic ECRH for tokamak reactors such as JT-60 SA and ITER.
非誘導プラズマ電流立ち上げを、斜め無線周波数（RF）入射を用いた第2高調波電子サイクロトロン共鳴加熱（ECRH）により実証した。これは、Q-shu大学の定常状態球状トカマク実験において行われた。加熱およびプラズマ電流立ち上げにおいて、明確な遷移が観測された。初期のバルク電子加熱領域では、Tebulk ≈ 140 eV、硬X線（HXR）放出はなく、Ip ≈ 15 kAであったが、その後、Tebulk ≈ 10 eV、強いHXR放出を伴い、Ip ≈ 50 kAとなる領域へと急激に遷移した。この挙動は、これまでの基本波ECRH実験で観測されたものとは明確に異なる。加熱および電流駆動の遷移メカニズムは、波動パワー吸収とプラズマパワーバランスを考慮して調査された。その結果、この遷移は、第2高調波におけるRFパワー吸収がTetailとともにほぼ線形に増加する一方、テール電子からバルク電子へのパワー伝達が1/Tetail^0.5に比例して減少するという、テール電子の有利な加熱によって引き起こされることが示された。これにより、Tebulkがイオン温度に向かって低下する一方で、Tetailが高い状態への急速な遷移が生じる。この遷移の理解は、JT-60 SAやITERなどのトカマク炉における第2高調波ECRHを用いたプラズマ電流立ち上げを検討する上で有用である。