In EXL-50 plasma currents over 100 kA are non-inductively generated and maintained solely by electron cyclotron heating (ECH) power with an efficiency of ∼1 A W−1. These currents are carried by energetic electrons (EEs) in the energy range from several tens of keV up to several hundreds of keV which also account for almost all pressure in plasma. This EE component can be viewed as a large number collection of various periodic orbits of energetic particles. Based on this picture we have developed a method for particle orbit description of the EE component in a typical plasma at = 121 kA as analysis target. We use a fluid description as a bridge to describe successfully the EE component as a collection of various passing and trapped orbits in the approximation of monochromatic particle energy with good matching to the flux loop signals. The description has revealed characteristics of passing and trapped particles. Passing particles carry almost all toroidal current, while they account for only 20 of total particle number of the EE component. While net current carried by trapped particles is a very small fraction, they account for a major fraction in number and carry a large positive current outside the last closed flux surface (LCFS) and a large negative current inside. As a result, trapped particles redistribute the current from inside of the LCFS to outside both radially and vertically, generating a large vertically elongated cross section in current as well as number density profiles. There is a ridge-like structure along the LCFS in the current density profile, with no such structure in the number density profile. The results suggest that forward passing particles are more advantageous in confinement than backward passing particles. This advantage increases with particle energy and contributes to the current generation observed in EXL-50 experiments.
EXL-50では、100 kAを超えるプラズマ電流が、約1 A W−1の効率で電子サイクロトロン加熱(ECH)電力のみによって非誘導的に生成・維持される。これらの電流は、数十keVから数百keVのエネルギー範囲の高エネルギー電子(EEs)によって担われており、それらはプラズマ中の圧力のほぼすべてをも占めている。このEE成分は、高エネルギー粒子の様々な周期軌道の多数の集合とみなすことができる。この描像に基づき、解析対象として = 121 kAにおける典型的なプラズマ中のEE成分に対する粒子軌道記述の手法を開発した。我々は流体記述を橋渡しとして用い、単色粒子エネルギー近似において、EE成分を様々な通過軌道および捕捉軌道の集合として、磁束ループ信号と良く一致する形で記述することに成功した。この記述により、通過粒子と捕捉粒子の特性が明らかになった。通過粒子はトロイダル電流のほぼ全てを担う一方、EE成分の総粒子数のうちわずか20%しか占めない。捕捉粒子が担う正味の電流はごく小さい割合であるが、それらは数において主要な割合を占め、最終閉磁気面(LCFS)の外側では大きな正の電流を、内側では大きな負の電流を担う。その結果、捕捉粒子は電流をLCFSの内側から外側へ、半径方向および鉛直方向の両方に再分配し、電流および数密度分布において鉛直方向に引き伸ばされた大きな断面を生じさせる。電流密度分布にはLCFSに沿った尾根状の構造が見られるが、数密度分布にはそのような構造はない。この結果は、前方通過粒子が後方通過粒子よりも閉じ込めにおいて有利であることを示唆している。この有利さは粒子エネルギーとともに増大し、EXL-50実験で観測された電流生成に寄与している。