First principle calculations of the gamma-ray energy spectrum arising from thermonuclear reactions without intrinsic broadening in fusion plasmas are presented, extending the theoretical framework needed to interpret measurements up to the accuracy level enabled by modern high resolution instruments. An analytical formula for the spectrum from Maxwellian plasmas, which extends to higher temperatures than the results previously available in the literature, has been derived and used to discuss the assumptions and limitations of earlier models. In case of radio-frequency injection, numerical results based on a Monte Carlo method are provided, focusing in particular on improved relations between the peak shift and width from the reaction and the temperature of protons accelerated by radio-frequency heating.The results presented in this paper significantly improve the accuracy of diagnostic information that can be extracted from the gamma-ray emission spectrum of fusion reactions without intrinsic broadening and are of relevance for applications to high performance plasmas of present and next generation devices.
核融合プラズマにおける固有の広がりを持たない熱核反応から生じるガンマ線エネルギースペクトルの第一原理計算を提示し、現代の高分解能測定器によって達成可能な精度で測定結果を解釈するために必要な理論的枠組みを拡張する。マクスウェル型プラズマに対する解析的公式を導出し、これは従来文献で報告されていた結果よりも高温領域まで適用可能であり、先行モデルの仮定と限界を考察するために用いられる。高周波加熱の場合については、モンテカルロ法に基づく数値計算結果を示し、特に高周波加熱により加速された陽子の温度と反応から生じるピークシフトおよび幅との間の改良された関係に焦点を当てる。本論文で提示された結果は、固有の広がりを持たない核融合反応からのガンマ線発光スペクトルから抽出可能な診断情報の精度を大幅に向上させ、現在および次世代の高性能プラズマ装置への応用に関連するものである。