During bursty MHD events, transient ion cyclotron emission (ICE) is observed from deuterium plasmas in the large helical device (LHD) heliotron-stellarator. Unusually, the frequencies of the successive ICE spectral peaks are not close to integer multiples of the local cyclotron frequency of an energetic ion population in the likely emitting region. We show that this ICE is probably driven by a subset of the fusion-born protons near their birth energy MeV. This subset has a kinetic energy component parallel to the magnetic field, , significantly greater than its perpendicular energy , for which , the Alfvén speed. First principles computations of the collective relaxation of this proton population, within a majority thermal deuterium plasma, are carried out using a particle-in-cell approach. This captures the full gyro-orbit kinetics of all ions which, together with an electron fluid, evolve self-consistently with the electric and magnetic fields under the Maxwell–Lorentz equations. The simulated ICE spectra are derived from the Fourier transform of the fields which are excited. We find substantial frequency shifts in the peaks of the simulated ICE spectra, which correspond closely to the measured ICE spectra following the resonance condition for nth proton harmonic. This suggests that the transient ICE in LHD is generated by the identified subset of the fusion-born protons, relaxing under the magnetoacoustic cyclotron instability. So far as is known, this is the first report of a collective radiation signal from fusion-born ions in anon-tokamak magnetically confined plasma. Disambiguation between two or more energetic ion species that could potentially generate complex observed ICE spectra is an increasing challenge, and the results and methodology developed here will assist this. Our approach is also expected to be relevant to ICE driven by ion beams with lower parallel velocities, for example in cylindrical plasma experiments.
バースト性MHD事象の間、大型ヘリカル装置（LHD）ヘリオトロン・ステラレータにおける重水素プラズマから、過渡的イオンサイクロトロン放射（ICE）が観測される。特筆すべきことに、ICEスペクトルピークの連続する周波数は、放射が生じていると考えられる領域における高エネルギーイオン集団の局所サイクロトロン周波数の整数倍に近接していない。本研究では、このICEが、生成エネルギー MeV付近の核融合生成陽子のサブセットによって駆動されている可能性が高いことを示す。このサブセットは、磁場に平行な運動エネルギー成分が垂直成分よりも有意に大きく、その並行速度はアルフヴェン速度 に近い。この陽子集団の集団緩和過程を、主要な熱的重水素プラズマ中において、粒子・イン・セル法を用いた第一原理計算により解析した。本手法は全イオンの完全なジャイロ軌道動力学を捕捉し、電子は流体として扱いつつ、マクスウェル・ローレンツ方程式に従って電場・磁場と自己無撞着に発展させる。シミュレーションから得られたICEスペクトルは、励起された電磁場のフーリエ変換から導出される。その結果、シミュレーションされたICEスペクトルのピークには顕著な周波数シフトが生じることが明らかになり、これは第n次陽子サイクロトロン高調波の共鳴条件 に従う実測スペクトルと良く対応する。このことは、LHDにおける過渡的ICEが、同定された核融合生成陽子のサブセットが磁気音波サイクロトロン不安定性のもとで緩和することによって生成されることを示唆している。知る限りでは、これは非トカマク型磁気閉じ込めプラズマにおける核融合生成イオンからの集団的放射の初めての報告である。複数の高エネルギーイオン種が関与し、観測される複雑なICEスペクトルの生成源の特定が困難になる場合の識別は、ますます重要な課題となっているが、本研究で開発された手法と得られた結果は、この課題の解決に資するものである。また、本アプローチは、より低い並行速度を持つイオンビームによって駆動されるICE、例えば円筒形プラズマ実験におけるICEにも適用可能であることが期待される。