Observations have recently been made of ion cyclotron emission (ICE) that originates from the core plasma in the DIII-D (Thome et al 2018 Rev. Sci. Instrum.89 10I102, Thome et al 2019 Nucl. Fusion http://iopscience.iop.org/10.1088/1741-4326/ab20e7) and ASDEX-Upgrade (Ochoukov et al 2018 Rev. Sci. Instrum.89 10J101, Ochoukov et al 2019 Nucl. Fusion59 014001) tokamaks. The ICE spectral peaks correspond to the local cyclotron harmonic frequencies of fusion-born ions close to the magnetic axis, in contrast to the hitherto usual spatial localisation of the ICE source to the outer midplane edge in tokamak and stellarator plasmas. Core ICE is temporally transient, and may sometimes be caused by the rapid onset and increase of local fusion reactivity. This would give rise to a highly non-Maxwellian population of fusion-born ions near their birth energy. In an idealised deuterium-tritium plasma, this distribution would initially be a thin spherical shell in velocity-space. For as long as it persists, as pointed out in (D'Inca 2014 Ion Cyclotron Emission on ASDEX Upgrade PhD Thesis Ludwig-Maximilians-Universitat), the shell might drive the magnetoacoustic cyclotron instability (MCI), which is the excitation process which underlies ICE. Here we present, under core plasma conditions, direct numerical simulations of ICE generation by a spherical shell distribution of fusion-born ions in velocity-space. These energetic minority ions are found to relax collectively in particle-in-cell (PIC) computations which follow their self-consistent gyro-orbit-resolved dynamics, together with that of the majority thermal ions and electrons, under the Maxwell–Lorentz system of equations. We relate the computational outputs, which extend into the nonlinearly saturated regime of the MCI, to the analytical theory of the linear MCI for shell-type energetic ion distributions, and to fully nonlinear simulations of related ring-beam energetic ion distributions relaxing under the MCI. We find that the MCI is excited in all cases, and that the linear growth phase of the shell simulations typically takes almost twice as long to reach saturation than in the ring-beam simulations. It is shown that for both types of velocity distribution, nonlinear wave-wave interactions play a vital role in the excitation of the ICE spectral peaks at lower cyclotron harmonics which are typically detected in experiments. We conclude that in future simulations for ICE interpretation, ring-beam distributions may provide an acceptable proxy for shell distributions, while using significantly fewer computational particles and still maintaining a satisfactory signal-to-noise ratio.
DIII-D（Thomeら 2018 Rev. Sci. Instrum. 89 10I102、Thomeら 2019 Nucl. Fusion http://iopscience.iop.org/10.1088/1741-4326/ab20e7）およびASDEX-Upgrade（Ochoukovら 2018 Rev. Sci. Instrum. 89 10J101、Ochoukovら 2019 Nucl. Fusion 59 014001）トカマクにおいて、コアプラズマに由来するイオンサイクロトロン放射（ICE）の観測が最近行われた。ICEスペクトルのピークは、磁気軸近傍の核融合生成イオンの局所サイクロトロン高調波に対応しており、これまで一般的であったトカマクおよびヘリカルプラズマにおけるICEの空間的発生源が外側中平面端部であることとは対照的である。コアICEは時間的に過渡的であり、局所的な核融合反応率の急激な増加によって引き起こされる場合がある。これにより、生成エネルギー付近における核融合生成イオンの強く非マクスウェル的な分布が生じる。理想化された重水素-トリチウムプラズマにおいて、この分布は当初、速度空間における薄い球殻として表される。この球殻が持続する限り、（D'Inca 2014 Ion Cyclotron Emission on ASDEX Upgrade PhD Thesis Ludwig-Maximilians-Universitatで指摘されたように）その球殻は磁気音響サイクロトロン不安定性（MCI）を駆動し得る。MCIはICEの根底にある励起過程である。本論文では、コアプラズマ条件下において、速度空間における核融合生成イオンの球殻分布によるICE生成の直接数値シミュレーションを提示する。これらの高エネルギー少数イオンは、粒子インセル（PIC）計算において集団的に緩和することが見出された。この計算では、多数の熱化イオンおよび電子とともに、それらの自己無撞着なジャイロ軌道分解ダイナミクスが、マクスウェル-ローレンツ方程式系の下で追跡される。我々は、MCIの非線形飽和領域に及ぶ計算結果を、殻型高エネルギーイオン分布に対する線形MCIの解析理論、およびMCIの下で緩和する関連するリングビーム高エネルギーイオン分布の完全非線形シミュレーションと関連付ける。MCIはすべてのケースで励起されることが見出され、殻型シミュレーションにおける線形成長期は、リングビームシミュレーションと比較して飽和に達するまでに典型的に約2倍の時間を要することが明らかになった。両方のタイプの速度分布について、非線形波-波相互作用が、実験において典型的に検出される低次のサイクロトロン高調波におけるICEスペクトルピークの励起に重要な役割を果たすことが示された。我々は、将来のICE解釈のためのシミュレーションにおいて、リングビーム分布が殻型分布の許容可能な代理モデルとなり得ると結論付ける。これにより、使用する計算粒子数を大幅に削減しつつ、満足のいく信号対雑音比を維持することが可能となる。