This article is dedicated to study the physical causes of a long-standing issue experienced in different tokamak devices throughout the last decades: the observed discrepancies between electron cyclotron emission (ECE) and Thomson Scattering (TS) diagnostic measurements at high temperature in the core tokamak plasmas. A recently developed heuristic model (Fontana et al 2023 Phys. Plasmas30 122503), tested on an extensive data set from multiple pulses in the frame of recent JET campaigns, showed that such ECE-TS discrepancy could be reconciled by introducing a bipolar perturbation in the electron distribution function. Such a perturbation indeed modifies the EC emission and absorption spectra. Nonetheless, the heuristic model does not provide the physical mechanisms causing such a bipolar perturbation. In this work, detailed gyrokinetic analyses unveil the unexplored wave-particle interaction between electrons and the Kinetic Ballooning Modes (KBMs) in tokamak plasmas. The numerical studies of the core of a selected high-temperature pulse of the JET device revealed that the electron-β was large enough to destabilize KBMs. Such KBMs affect the electron distribution function in momentum space with a characteristic bipolar structure. The position of the bipolar structure in the velocity space is intimately linked to the electron diamagnetic frequency. The amplitude of the perturbation, assessed through nonlinear computations, is shown to be dependent on the amplitude of the KBM-induced turbulent fluxes. Thus, this study demonstrates that KBMs, destabilized by the high-β plasma conditions achieved in the core of high-temperature scenarios, perturb the electron distribution function forming bipolar structures in momentum space and, thereby, modifying the EC spectrum. Therefore, the reported mechanism may represent an intriguing explanation of the ECE-TS measurement discrepancy in the deep core of high-temperature plasmas.
本稿は、過去数十年にわたり様々なトカマク装置で経験されてきた長年の問題、すなわちコアトカマクプラズマにおける高温時の電子サイクロトロン放射(ECE)とトムソン散乱(TS)診断測定の間に観測される不一致の物理的原因を研究することを目的とする。最近開発されたヒューリスティックモデル(Fontana et al 2023 Phys. Plasmas30 122503)は、最近のJETキャンペーンの枠組みにおける複数のパルスからの広範なデータセットでテストされ、そのようなECE-TS不一致が電子分布関数に双極摂動を導入することによって整合され得ることを示した。そのような摂動は確かにEC放射および吸収スペクトルを修正する。それにもかかわらず、ヒューリスティックモデルはそのような双極摂動を引き起こす物理的メカニズムを提供しない。本研究では、詳細なジャイロ運動論的解析により、トカマクプラズマにおける電子と運動論的バルーニングモード(KBMs)との間の未解明の波-粒子相互作用が明らかにされる。JET装置の選択された高温パルスのコアの数値研究により、電子-βがKBMsを不安定化させるのに十分大きいことが明らかになった。そのようなKBMsは、運動量空間における電子分布関数に特徴的な双極構造をもって影響を与える。速度空間における双極構造の位置は、電子反磁性周波数と密接に関連している。非線形計算によって評価された摂動の振幅は、KBM誘起乱流フラックスの振幅に依存することが示されている。したがって、この研究は、高温シナリオのコアで達成された高-βプラズマ条件によって不安定化されたKBMsが、電子分布関数を摂動させて運動量空間に双極構造を形成し、それによりECスペクトルを修正することを実証する。したがって、報告されたメカニズムは、高温プラズマの深部コアにおけるECE-TS測定不一致の興味深い説明を表す可能性がある。