We demonstrate the use of collective Thomson scattering (CTS) for spatially localized measurements of the isotopic composition of magnetically confined fusion plasmas. The experiments were conducted in the TEXTOR tokamak by scattering millimeter-wave probe radiation off plasma fluctuations with wave vector components nearly perpendicular to the magnetic field. Under such conditions the sensitivity of the CTS spectrum to plasma composition is enhanced by the spectral signatures of the ion cyclotron motion and of weakly damped ion Bernstein waves. Recent experiments on TEXTOR demonstrated the ability to resolve these signatures in the CTS spectrum as well as their sensitivity to the ion species mix in the plasma. This paper shows that the plasma composition can be inferred from the measurements through forward modeling of the CTS spectrum. We demonstrate that spectra measured in plasmas consisting of hydrogen, deuterium and 3He can be accurately reproduced by theory and yield inferred plasma compositions consistent with expectations. The potential to use CTS for measurements of plasma composition is of significant interest since CTS is well suited for reactor environments and since there is at present no established method to measure the fuel ion density ratio in the core of a burning fusion plasma.
我々は、磁気閉じ込め核融合プラズマの同位体組成の空間局所測定に対する集団トムソン散乱（CTS）の利用を実証する。実験はTEXTORトカマクにおいて、磁場にほぼ垂直な波数ベクトル成分を持つミリ波プローブ放射をプラズマの揺らぎに散乱させることにより実施された。このような条件下では、CTSスペクトルのプラズマ組成に対する感度は、イオンサイクロトロン運動および弱減衰イオンバーンスタイン波のスペクトル的特徴によって増強される。最近のTEXTORでの実験は、CTSスペクトルにおけるこれらの特徴と、プラズマ中のイオン種混合に対するそれらの感度を分解する能力を実証した。本論文は、CTSスペクトルの前方モデリングを通じてプラズマ組成を推定できることを示す。水素、重水素、および³Heからなるプラズマで測定されたスペクトルが理論によって正確に再現でき、推定されたプラズマ組成が期待値と一致することを実証する。プラズマ組成測定へのCTSの利用は、CTSが炉心環境に適しており、燃焼核融合プラズマの中心部における燃料イオン密度比を測定する確立された方法が現時点で存在しないことから、重要な意義を持つ。