モード変換

モード変換(mode conversion)とは、磁化プラズマ中を伝播する電磁波が、密度や磁場の空間変化によって作られる共鳴層やカットオフ層を通過する際に、別の固有モードへと波の性質を変えて連続的につながる現象である。プラズマは異方性のある媒質であり、同じ周波数の波でも電場の偏りと伝播方向の関係によって複数の独立な波動モード(例えば電子サイクロトロン周波数帯では通常モード(Oモード)と異常モード(Xモード)、イオンサイクロトロン周波数帯では高速波と静電的なベルンシュタイン波(Bernstein波))が存在する。これらのモードの分散曲線が局所的に接近あるいは交差する場所では、波は単一のモードとして振る舞えなくなり、入射した波のエネルギーが別のモードへ移る。核融合プラズマでは、この性質を利用して通常の電子サイクロトロン加熱では到達できない高密度領域への加熱、イオンサイクロトロン帯加熱での電子加熱や電流駆動など、波動加熱の適用範囲を広げる手段としてモード変換が重要な役割を果たしてきた。

モード変換とは何か

磁化プラズマ中の波は、局所の密度と磁場で決まる分散関係に従って伝播する。プラズマが一様であれば、与えた周波数と平行波数に対して固有モードは独立に伝わるが、トカマクやステラレータのプラズマは密度も磁場も空間的に変化するため、波は位置ごとに異なる局所分散に適応しながら進む。この適応の過程で、二つのモードの分散面が近づく領域(変換層)に差し掛かると、波動方程式の解は二つのモードの線形結合としてしか書けなくなり、一方のモードで入った波が他方のモードへ滑らかにつながる。これが線形モード変換であり、非線形過程や粒子との共鳴相互作用を介さない、純粋に波動媒質の性質による変換である点が本質である。

変換の様子は分散曲線の空間分布として理解できる。図に示すのは、重水素-水素プラズマにおける高速波(FW)とイオンベルンシュタイン波()の分散関係を、動学的( kinetic )模型と多流体温プラズマ模型の両方で計算した例である。横軸は空間位置、縦軸は垂直方向の屈折率であり、高速波の実部(青と黒)は変換層の近くで僅かにずれるほかはほぼ一致し、一方でベルンシュタイン波(緑と橙の点線)は変換層から高磁場側へ伸びる分散分岐として現れる。入射した高速波がこの分岐へエネルギーを渡すのがモード変換であり、変換された波は準静電的で波長の短い波としてプラズマ深部へ進む。