In this paper, we report a comparative study of the orbit islands formed by the guiding center drift motion of test energetic particles (EPs), including both high-energy deuterium ions and fusion-born α-particles, with respect to the magnetic islands formed by tracing the field lines, for an ITER plasma representing the 15 MA baseline scenario. The particle drift orbit is modified by the presence of static resonant magnetic perturbations (RMPs) of different toroidal mode numbers n (n = 1 and 3 in this study), forming orbit islands in the Poincaré plane by passing EPs. The key findings are as follows. (i) With an n = 1 RMP field, the size of the orbit islands combined with the total RMP field, including the plasma response, is about three times smaller than that obtained by assuming the corresponding vacuum field. (ii) The orbit island size is not sensitive to the EP energy, and is comparable to those of the magnetic islands. (iii) Passing EPs with outward radial orbital drift form orbit islands that shift inward with respect to the corresponding magnetic islands, and vice versa. This radial shift, ΔΨ, measured in the normalized equilibrium poloidal flux, is quantified as ΔΨ ≃ 0.03X for the ITER baseline plasma and assuming n = 1 RMPs, with , where M is the particle mass, Mp is the proton mass, E is the particle energy, and Z is the particle charge number. (iv) Trapped EPs do not form drift orbit islands, even in the presence of the 3D fields produced by the 90 kAt ELM control coil current in ITER, and thus possess good confinement properties. Nevertheless, the deformation of the trapped particle drift orbits in the Poincaré plane shows that the canonical toroidal angular momentum of EPs is no longer conserved in the presence of the RMP fields.
本論文では、ITERプラズマにおける15 MAベースラインシナリオを表すプラズマについて、試験用高エネルギー粒子（EP）—高エネルギーデューテリウムイオンと核融合生成α粒子の両方を含む—のガイドセンタードリフト運動によって形成される軌道島と、磁力線追跡によって形成される磁気島との比較研究を報告する。粒子ドリフト軌道は、異なるトロイダルモード数n（本研究ではn = 1および3）の静的共鳴磁場摂動（RMP）の存在によって変形され、通過EPによってポアンカレ平面上に軌道島を形成する。主な知見は以下の通りである。(i) n = 1 RMP場の場合、プラズマ応答を含む全RMP場と組み合わされた軌道島のサイズは、対応する真空場を仮定して得られるものの約3分の1である。(ii) 軌道島のサイズはEPエネルギーに敏感ではなく、磁気島のサイズに匹敵する。(iii) 外向き半径方向軌道ドリフトを持つ通過EPは、対応する磁気島に対して内側にシフトする軌道島を形成し、その逆も同様である。この半径方向シフトΔΨは、規格化平衡ポロイダル磁束で測定され、ITERベースラインプラズマおよびn = 1 RMPを仮定した場合、ΔΨ ≃ 0.03Xと定量化される。ここで、Mは粒子質量、Mpは陽子質量、Eは粒子エネルギー、Zは粒子電荷数である。(iv) 捕捉EPは、ITERにおける90 kAt ELM制御コイル電流によって生成される3次元場の存在下でもドリフト軌道島を形成せず、したがって良好な閉じ込め特性を有する。それでもなお、ポアンカレ平面における捕捉粒子ドリフト軌道の変形は、RMP場の存在下ではEPの正準トロイダル角運動量がもはや保存されないことを示している。