Studies of runaway electrons in present day tokamaks are essential to improve theoretical models and to support possible avoidance or suppression mechanisms in future large-scale plasma devices. Some of the phenomena associated with the runaway electrons take place at faster time scales, and thus it is essential to probe the runaway electrons to investigate underlying physics. The present article reports a few experimental observations of runaway electron associated events, at fast time scales, using a state-of-the-art multi-detector system developed at the Ioffe Institute and recently deployed on the TUMAN-3M tokamak. The system is based on the high-performance scintillation gamma-ray spectrometers for measurements of bremsstrahlung generated during the interaction of accelerated electrons with plasma and materials of the tokamak chamber. It includes a total three detectors configured in the spectroscopic mode having different lines of sight. Along with this hardware, dedicated algorithms were developed and validated that enables the separation of piled-up pulses, maximize the dynamic range of the detector and provides a counting rate as high as 107 counts per second. The inversion code, DeGaSum, has been used for the reconstruction of a runaway electron energy distribution function from the measured gamma-ray spectra. Using this tool, experimental analysis of the runaway electron beam generation and evolution of their energy distribution in the TUMAN-3M representative plasma discharges is performed. The effect on gamma-ray count rate during the magnetohydrodynamic activities and possible changes in the runaway electron energy distribution function during sawtooth oscillations is discussed in detail. Possible maximum limit of the runaway electron energy in TUMAN-3M is investigated and compared with the numerical analysis. In addition, the probability of the runaway electron generation throughout the plasma discharge is estimated analytically and compared with the experimental observation that suggests a balance between production and loss of the runaway electrons.
現在のトカマクにおける逃走電子の研究は、理論モデルを改善し、将来の大型プラズマ装置における回避・抑制メカニズムの可能性を支持するために不可欠である。逃走電子に関連する現象の一部はより速い時間スケールで発生するため、基礎となる物理を調査するには逃走電子をプローブすることが不可欠である。本論文では、ヨッフェ研究所で開発され、最近TUMAN-3Mトカマクに配備された最先端のマルチ検出器システムを用いて、高速時間スケールでの逃走電子関連現象の実験的観測結果をいくつか報告する。このシステムは、加速電子とプラズマおよびトカマク容器壁との相互作用中に生成される制動放射を測定するための高性能シンチレーションガンマ線スペクトロメータに基づいている。異なる視線方向を有する分光モードで構成された合計3つの検出器が含まれる。このハードウェアに加えて、パイルアップパルスの分離を可能にし、検出器のダイナミックレンジを最大化し、毎秒10⁷カウントもの高い計数率を提供する専用アルゴリズムが開発・検証された。DeGaSum反転コードは、測定されたガンマ線スペクトルから逃走電子エネルギー分布関数を再構成するために使用された。このツールを用いて、TUMAN-3Mにおける代表的プラズマ放電中の逃走電子ビーム生成とそのエネルギー分布の時間発展に関する実験的解析が実施された。磁気流体力学活動中のガンマ線計数率への影響、および鋸歯状振動中の逃走電子エネルギー分布関数の可能な変化について詳細に議論する。TUMAN-3Mにおける逃走電子エネルギーの可能な最大値が調査され、数値解析と比較された。さらに、プラズマ放電全体を通した逃走電子生成の確率が解析的に推定され、逃走電子の生成と損失の間のバランスを示唆する実験的観測と比較された。