Study of suprathermal electron dynamics by modelling the electron cyclotron emission

Electrons gyrating around magnetic field lines emit radiation at the frequency Ωc = n eB/(γm), where e is the elementary charge, B is the magnetic field amplitude, m is the electron rest mass, γ is the ralitivistic factor and n is the harmonic number. This radiation mechanism is called electron cyclotron emission (ECE). In the presence of a magnetic field amplitude gradient, as in a tokamak, the origin of emission is related to the frequency of the emission and a temperature profile can be reconstructed by scanning a range of frequencies, which is the general purpose of ECE diagnostics. The definition of temperature assumes that the plasma is in thermal equilibrium with a Maxwellian velocity distribution for its particles. In certain scenarios, the plasma may contain a significant proportion of suprathermal particles whose energy exceeds that of the thermal particles by several orders of magnitude, affecting both temperature measurements and profile reconstruction. Measuring ECE at various frequencies along vertical lines of sight (VECE) with constant magnetic field amplitude B provides a scan in electron energy via the relativistic factor γ. On the other hand, reconstructing the 3D bounce-averaged guiding center electron distribution function from ECE measurements is an ill-conditioned problem and a more promising approach consists of constructing an equivalent synthetic ECE diagnostic providing simulations that can be directly compared to measurements. A new general synthetic ECE diagnostic that includes the effect of suprathermal electrons is constructed: the Yoda code. This code is able to calculate: i) the EC emission and (re)absorption based on any arbitrary numerical electron distribution function calculated by any first-principle kinetic codes (as the 3-D bounce-averaged relativistic Fokker-Planck code Luke) for arbitrary line of sight simulated using the c3po ray-tracing code (which also model the detection system); ii) the transport of EC radiated intensity along the propagation path. In this work, the Yoda code is validated for thermal plasmas, and two direct application to TCV tokamak electron cyclotron current drive (ECCD) experiments are envisioned with good agreement between the experimental vertical ECE measurements and synthetic intensity trends, opening new paths regarding suprathermal electron studies in tokamak plasmas.

Gli elettroni che orbitano intorno a linee del campo magnetico emettono radiazione alla frequenza di ciclotrone Ωc = neB/(γm), dove e rappresenta la carica elementare, B l’ampiezza del campo magnetico, m la massa a riposo dell’elettrone, γ il fattore relativis- tico e n il numero armonico. Questa radiazione è chiamata emissione ciclotronica degli elettroni (ECE). In presenza di un gradiente nell’ampiezza del campo magnetico, come nei tokamak, l’origine dell’emissione è legata alla frequenza dell’emissione e il profilo di temperatura elettronica può essere ricostruito scandendo un range di frequenze, che è lo scopo generale delle diagnostica ECE. Tuttavia, la definizione di temperatura assume che il plasma sia in equilibrio termico con una distribuzione di velocità maxwelliana per le sue particelle. In determinati scenari, il plasma può contenere una porzione significativa di particelle sovratermiche la cui energia supera quella delle particelle termiche di diversi ordini di grandezza. La presenza di una popolazione significativa di elettroni sovrater- mici influisce sia sulle misurazioni della temperatura che sulla ricostruzione del profilo degli elettroni. La diagnostica ECE può comunque fornire informazioni preziose sulla dis- tribuzione degli elettroni sovratermici nello spazio delle fasi. La misura della ECE a varie frequenze lungo una linea di vista verticale (VECE) con ampiezza del campo magnetico costante B fornisce una scansione dell’energia degli elettroni tramite il fattore relativis- tico γ. La ricostruzione della funzione di distribuzione degli elettroni a partire dalle misurazioni della ECE è un problema mal condizionato e un approccio più promettente consiste nella costruzione di una diagnostica sintetica equivalente che fornisce simulazioni che possono essere direttamente confrontate con le misurazioni dell’ECE. In questo lavoro viene costruita una nuova diagnostica sintetica per l’ECE che include l’effetto degli elet- troni sovratermici: il codice Yoda. Questo codice è in grado di calcolare: i) l’emissione ed il (ri)assorbimento di EC sulla base della funzione di distribuzione degli elettroni calcolata utilizzando il codice 3-D bounce-averaged guiding center relativistic Fokker-Planck Luke, per una linea di vista arbitraria simulata utilizzando il codice di ray-tracing c3po, che modella anche il sistema di rilevamento; ii) il trasporto dell’intensità della radiazione di EC lungo il percorso di propagazione. In questo lavoro, il codice Yoda viene sia validato per plasmi termici e che utilizzato per applicazioni dirette in due esperimenti di guida di corrente di elettrone ciclotrone (ECCD), ottenendo buoni risultati dai confronti diretti tra i trend delle misure sperimentali della ECE verticale e le intensità sintetiche, aprendo così nuove strade allo studio degli elettroni sovratermici nei tokamak.