The 2018 operation phase (OP 1.2b) of the stellarator Wendelstein 7-X (W7-X) included, for the first time, neutral beam injection (NBI) to heat the plasma. Since the injection geometry at W7-X is not parallel, this generates both passing and trapped fast particles. During longer phases of NBI injection, with the primary purpose to study the heating efficiency of this system, Alfvén eigenmodes (AEs) were observed by a number of diagnostics, including the phase contrast imaging (PCI) system, the magnetic pick-up coils (Mirnov coils), and the soft x-ray multi-camera tomography system (XMCTS).Alfvén eigenmodes are of great interest for future fusion reactors as it has been shown that the resonant interaction of fast ions with self-excited AEs can lead to enhanced transport of fast ions and potentially to energy losses. This is especially true for so-called gap-modes, Alfvén eigenmodes with frequencies in gaps of the continuous spectrum, since they lack continuum damping. These modes are commonly known to be excited by fast ions, but other destabilizing mechanisms, e.g. the electron-pressure gradient are also possible.In this article we present a first analysis of the experimentally observed frequencies from the theoretical side. The calculation of shear Alfvén wave continua for selected cases and the assignment of observed frequencies to the gaps of the continuous spectra are presented. Using the ideal-MHD code CKA (Könies A. 2007 10th IAEA TM on Energetic Particles in Magnetic Confinement System), we find gap modes that match the experimental measurements in terms of the observed frequencies. We emphasize the crucial roles played by the coupling of sound and Alfvén waves as well as of the Doppler shift arising as a consequence of the radial electric field in W7-X.We employ the perturbative gyrokinetic code CKA-EUTERPE (Feh´er 2013 Simulation of the interaction between Alfv´en waves and fast particles), using a slowing-down distribution function for the fast ions as calculated by the Monte-Carlo particle following code ASCOT (Hirvijoki et al 2014 Comput. Phys. Commun. 185 1310–21) to assess the fast-ion drive. We find that the fast-ion drive is insufficient to overcome the background-plasma damping. The fact that unstable modes were observed experimentally may point to problems with the modelling or indicate the existence of other destabilizing mechanisms, e.g. associated with the electron-pressure gradient (Windisch et al 2017 Plasma Phys. Control. Fusion 59 105002) that sensitively depend on the profiles of the background plasma.
2018年の運用フェーズ（OP 1.2b）におけるステラレーターWendelstein 7-X（W7-X）では、初めて中性粒子ビーム入射（NBI）によるプラズマ加熱が行われた。W7-Xでの入射形状は平行ではないため、これにより捕捉粒子と周回粒子の両方の高速粒子が生成される。NBI入射のより長い位相の間、このシステムの加熱効率を研究することを主目的として、位相コントラスト撮像（PCI）システム、磁気ピックアップコイル（ミルノフコイル）、軟X線マルチカメラトモグラフィーシステム（XMCTS）など、多くの計測機器によってアルフヴェン固有モード（AE）が観測された。 アルフヴェン固有モードは、高速イオンと自励励起されたAEとの共鳴的相互作用が高速イオンの輸送増大や、場合によってはエネルギー損失につながり得ることが示されているため、将来の核融合炉にとって非常に重要である。これは特に、連続スペクトルの周波数ギャップ内に周波数を有するアルフヴェン固有モードである、いわゆるギャップモードに当てはまる。なぜなら、それらは連続減衰を欠いているからである。これらのモードは高速イオンによって励起されることが一般的に知られているが、電子圧力勾配などの他の不安定化メカニズムも可能性がある。 本論文では、実験的に観測された周波数について、理論的観点からの最初の解析を提示する。選択されたケースについてせん断アルフヴェン波連続体の計算と、観測された周波数の連続スペクトルのギャップへの帰属を示す。理想MHDコードCKA（Könies A. 2007 10th IAEA TM on Energetic Particles in Magnetic Confinement System）を用いて、観測された周波数の観点から実験測定と一致するギャップモードを見いだした。W7-Xにおける音波とアルフヴェン波の結合、および動径電界の結果として生じるドップラーシフトが果たす決定的な役割を強調する。 我々は、摂動論的ジャイロ運動論コードCKA-EUTERPE（Fehér 2013 Simulation of the interaction between Alfvén waves and fast particles）を用いて、モンテカルロ粒子追跡コードASCOT（Hirvijoki et al 2014 Comput. Phys. Commun. 185 1310–21）によって計算された高速イオンの減速分布関数を使用し、高速イオン駆動を評価する。高速イオン駆動は、背景プラズマの減衰を打ち負かすには不十分であることがわかった。実験的に不安定モードが観測されたという事実は、モデリングの問題を示しているか、または背景プラズマの分布に鋭敏に依存する、例えば電子圧力勾配（Windisch et al 2017 Plasma Phys. Control. Fusion 59 105002）に関連する他の不安定化メカニズムの存在を示している可能性がある。