This study explores the influence of sawtooth oscillations on the velocity space distribution of fast ions in tokamak plasma discharges. The relevant Fokker–Planck equation for fast ions is solved analytically. Two distinct effects arising from the temperature drop associated with a sawtooth crash and their impact on the distribution function of fast ions are considered. The first effect involves the modulation of the fusion alpha particle source on the timescale of the sawtooth period, linked to the drop in fusion yield resulting from the sawtooth temperature relaxations. The second effect is tied to the increase of the slowing-down time during the sawtooth ramp, causing particles born later in the sawtooth cycle to experience reduced slowing down compared to those born right after the crash, creating an accumulation-like mechanism at higher energies. In regimes where the sawtooth period is shorter than the fast ion slowing-down time, the combined influence of these effects gives rise to fast ion distribution functions that transiently exhibit positive slopes in velocity space.
本研究は、トカマクプラズマ放電における高速イオンの速度空間分布に対する鋸歯状振動の影響を調査する。高速イオンに関する関連するフォッカー–プランク方程式を解析的に解く。鋸歯状クラッシュに伴う温度低下から生じる二つの異なる効果と、それらが高速イオンの分布関数に及ぼす影響を考察する。第一の効果は、鋸歯状温度緩和に起因する核融合収量の低下と関連し、鋸歯状周期の時間スケールでの核融合アルファ粒子源の変調を含む。第二の効果は、鋸歯状ランプ中の減速時間の増加に関連しており、鋸歯状サイクルの後半に生まれた粒子は、クラッシュ直後に生まれた粒子と比較して減速の程度が小さくなり、高エネルギーでの蓄積様の機構を生み出す。鋸歯状周期が高速イオンの減速時間よりも短い領域では、これらの効果の複合的な影響により、速度空間において一時的に正の勾配を示す高速イオン分布関数が生じる。