Compressional Alfvén and ion–ion hybrid waves excited by energetic beam ions are studied in plasmas with two ion species. In our experiment, a hydrogen-deuterium (H-D) plasma is used to produce instabilities similar to those likely to be present in the burning deuterium-tritium plasmas of future tokamaks. Modes are suppressed in the deuterium cyclotron frequency range with increasing hydrogen gas puffing. In plasmas with H/D concentrations of 2.57 or higher, short-lived modes with small and predominantly negative toroidal mode numbers are observed at frequencies ω/ωβD0 ≈ 2.25, where ωβD0 = ωβD(R0) is the on-axis deuterium cyclotron frequency. These are the highest mode frequencies yet detected in the ion cyclotron range in a spherical tokamak. Modeling of the transparency regions and plasma resonances using the cold plasma dispersion relation explains the observed features. Mode conversion at ion–ion hybrid resonances and subsequent kinetic damping is believed to be responsible for mode suppression. The high frequency modes are present due to excitation by wave-particle resonances within the transparency region for high hydrogen concentrations. The absence of other wave-particle resonances explains significant features of our experiment. This technique has possible applications in plasma heating, current drive and real-time diagnosis of relative ion concentration in the plasma core.
圧縮性アルヴェン波およびイオン-イオン混成波が、高エネルギー粒子ビームによって励起される現象を、2種類のイオン種を含むプラズマ中で研究した。本実験では、水素-重水素（H-D）プラズマを用いて、将来のトカマクにおける燃焼重水素-トリチウムプラズマ中に存在すると考えられる不安定性と類似した不安定性を生成した。水素ガス入射量の増加に伴い、重水素サイクロトロン周波数帯域におけるモードは抑制された。H/D濃度比が2.57以上の場合、ω/ωβD0 ≈ 2.25（ここでωβD0 = ωβD(R0)は軸上の重水素サイクロトロン周波数）において、短寿命で主に負のトロイダルモード数を有するモードが観測された。これらは球状トカマクのイオンサイクロトロン周波数帯域において検出された最高周波数のモードである。冷プラズマ分散関係を用いた透過性およびプラズマ共鳴のモデリングにより、観測された特徴が説明された。イオン-イオン混成共鳴におけるモード変換とそれに続く運動論的減衰が、モード抑制の原因であると考えられる。高周波モードは、高水素濃度条件下での透過領域内における波動-粒子共鳴による励起によって存在する。他の波動-粒子共鳴が存在しないことが、本実験の重要な特徴を説明している。この手法は、プラズマ加熱、電流駆動、およびプラズマコア中の相対イオン濃度のリアルタイム診断への応用が可能である。