Plasma turbulence on disparate spatial and temporal scales plays a key role in defining the level of confinement achievable in tokamaks, with the development of reduced numerical models for cross-scale turbulence effects informed by experimental measurements an essential step. MAST-U is a well-equipped facility having instruments to measure ion and electron scale turbulence at the plasma edge. However, measurement of core electron scale turbulence is challenging, especially in H mode. Using a novel synthetic diagnostic approach, we present simulated measurement specifications of a proposed highly optimised mm-wave based collective scattering instrument for measuring both normal and bi-normal electron scale turbulence in the core and edge of MAST-U. A powerful modelling framework has been developed that combines beam-tracing techniques with gyrokinetic simulations to predict the sensitivity and spectral range of measurement, with a quasi-numerical approach used to analyse the corresponding instrument selectivity functions. For the reconstructed MAST 022769 shot, a maximum measurable normalised bi-normal wavenumber of 0.6 was predicted in the core and 0.79 near the pedestal, with localisation lengths ranging from ∼0.4 m in the core at 0.1 to ∼0.08 m at 0.45. Synthetic diagnostic analysis for the 022769 shot using CGYRO gyrokinetic simulation spectra reveal that electron temperature gradient turbulence wavenumbers of peak spectral intensity comfortably fall within the measurable/detectable range of the instrument from the core to the pedestal. The proposed diagnostic opens up opportunities to study new regimes of turbulence and confinement, particularly in association with upcoming non-inductive, microwave based current drive experiments on MAST-U and can provide insight into cross-scale turbulence effects, while having suitability to operate during burning plasma scenarios on future reactors such as Spherical Tokamak for Energy Production.
異なる空間的および時間的スケールでのプラズマ乱流は、トカマクで達成可能な閉じ込めのレベルを決定する上で重要な役割を果たしており、実験計測に基づくクロススケール乱流効果のための簡約数値モデルの開発が必須のステップである。MAST-Uは、プラズマ周辺部のイオンおよび電子スケール乱流を測定する機器を備えた十分に装備された施設である。しかしながら、特にHモードでは、コアの電子スケール乱流の測定は困難である。新しい合成診断手法を用いて、我々は、MAST-Uのコアおよび周辺部における法線およびバイノーマル方向の電子スケール乱流の両方を測定するための、提案された高度に最適化されたミリ波ベースの集団散乱計測器のシミュレーションによる測定仕様を提示する。ビームトレーシング手法とジャイロ運動論的シミュレーションを組み合わせて測定の感度とスペクトル範囲を予測する強力なモデリングフレームワークが開発され、対応する計測器の選択性関数を解析するために準数値的手法が用いられた。再構成されたMAST 022769ショットについて、コアでは最大測定可能な規格化バイノーマル波数0.6、ペデスタル近傍では0.79が予測され、局在長はコアの0.1における∼0.4 mから、0.45における∼0.08 mの範囲であった。CGYROジャイロ運動論的シミュレーションスペクトルを用いた022769ショットの合成診断解析は、ピークスペクトル強度の電子温度勾配乱流波数が、コアからペデスタルまで計測器の測定/検出可能範囲内に十分に収まることを明らかにする。提案された診断法は、特にMAST-Uにおける今後の非誘導・マイクロ波ベースの電流駆動実験に関連して、乱流と閉じ込めの新しい領域を研究する機会を開き、クロススケール乱流効果への洞察を提供することができ、さらにSpherical Tokamak for Energy Productionのような将来の炉における燃焼プラズマシナリオでの動作適合性も有する。