共鳴が起こるのは磁場が共鳴値に等しい等磁場面、すなわち「共鳴層」の上だけである。トカマクではトロイダル磁場が大半径 R にほぼ反比例するため、共鳴層は縦に走るほぼ平面の磁場面となり、マイクロ波の入射方向やトロイダル磁場の大きさを変えれば加熱位置を断面内で自在に動かせる。この「加熱位置の局所性」こそが ECRH の最大の特徴である。トカマクの平衡断面に対して、使用周波数ごとの共鳴層がどこを通るかを示したのが次の図である。
Magnetic equilibria of investigated scenarios with resonant layers for selected frequencies and their harmonics. The (a)–(e) sign denotes scenarios in table 1. The Early H-mode scenario is expected to be operated also in the phase of operation without the lower divertor using an open upper divertor, thus USN configuration is visualized.
Operational space of ordinarily used heating frequencies. The \rho_{\mathrm{pol}} denotes the area of deposition for a given frequency in discharges with central magnetic field B_{\mathrm{T}}. The area above the curves (grey) shows a deposition area reachable with poloidal steering.
吸収機構そのものは単純な共鳴吸収が基本だが、高出力入射では非線形な現象も現れる。第二高調波加熱では、主吸収のほかにマイクロ波がプラズマ波に崩壊するパラメトリック不安定（二プラズモン崩壊など）の減衰スペクトルが観測されており、また異常吸収への遷移の可能性もトカマクやヘリカル装置で議論されている。さらに、吸収は常に熱平衡の電子に限らない。第二高調波加熱を用いた非誘導電流起動実験では、初期にバルク電子だけが約 140 eV に加熱される状態から、急激に高エネルギー尾部電子が優先的に加熱される状態へ遷移することが観測された。第二高調波でのマイクロ波吸収が尾部電子温度にほぼ比例して増える一方、尾部からバルクへのエネルギー移譲は尾部温度が上がるとむしろ減るため、自己増幅的に尾部加熱が強まるのである。この遷移はハード X 線の強い放出を伴い、電流駆動効率の急上昇として現れる。
磁気閉込め装置における ECR 加熱と電流駆動
ECRH は 1970〜80 年代にジャイロトロン（高出力マイクロ波発振管）の実用化とともに磁気閉込め研究の主要加熱手段となった。初期のステラレータ W VII-A では 28 GHz・200 kW のマイクロ波を低磁場側から照射し、水素ガス背景からプラズマを生成・加熱して電子温度約 700 eV、偏光制御した入射では約 1200 eV を達成し、吸収効率 40〜50 パーセントが確認された。ヘリオトロン E や磁気ミラー装置 GDT でも同様に ECRH によるプラズマ生成・加熱が主役であり、トカマクでは軟 X 線スペクトルとフォッカー・プランク計算との比較を通じて、共鳴加熱で生じる非熱平衡電子分布の理解が進められた。
現代の大規模装置では加熱出力は桁違いに大きい。ASDEX Upgrade では 15 年かけて 140 GHz・2 MW の系が 105/140 GHz の二周波数・8 MW・10 秒の系に増強され、その出力は L モードから H モードへの遷移しきい値の 2 倍以上に達する。ECRH は電子への選択的加熱であるため、イオン加熱が主の中性粒子ビーム入射と組み合わせることで、電子とイオンの温度比や加熱プロファイルを独立に変える実験が可能になる。実際に、電子加熱が支配的な H モードの実現、低衝突領域での輸送研究、不純物輸送に対する加熱プロファイルの影響、そして ECRH の局所性を生かした安全係数プロファイルの制御と非誘導運転の研究が行われてきた。電流駆動能力は特に新古典撕裂モード（NTM）の抑制に不可欠であり、共鳴層を磁気島の位置に正確に合わせてマイクロ波を照射し、局所的な電流を補充して島の成長を止める運転は、現在のトカマク運転の標準技術となっている。
Examples of TOREAM simulations. Figures on the left show the trajectories and power deposition of the waves in a poloidal angle scan in the Intermediate field H-mode scenario (3.8 T) from the upper port using 105 GHz O1 EC heating. Figures on the right show trajectories and power deposition of waves in an electron density scan in the High-performance scenario (5 T) using 140 GHz O1 EC heating where line averaged density values are shown.
Schematic presentation of the plasma potential evolution following the microwave swith-off. (a) Steady-state condition at t\unicode{x2A7D} t_0 when microwaves are switched off. (b) The abrupt loss of cold electrons causes the plasma potential V_\mathrm{p} to increase and simultaneously the potential dip Δφ starts to disappear. This leads to rapid expulsion of the trapped high charge state ions from the plasma. (c) The continuing plasma decay leads to the gradual collapse of the plasma potential with the dip disappearing.
