Comment on "Electromagnetic Global Gyrokinetic Simulation of Shear Alfven Wave Dynamics in Tokamak Plasmas" [Phys. Plasmas 14, 042503 (2007)]
这一评论澄清了最近发表的一篇文章[Phys.Plasmas 14，042503（2007）]中的研究与其他先前的出版物的关系，这些出版物解决了在回旋运动模拟中包含电磁和漂移动力学电子物理学，提出了与在具有磁剪切的系统中包含动力学电子有关的问题，并且讨论了在面对其中描述的算法的一般适用性的重要限制时的替代方案。
2007-10-26 physics.plasm-ph
Discovering exact, gauge-invariant, local energy-momentum conservation laws for the electromagnetic gyrokinetic system by high-order field theory on heterogeneous manifolds
回旋运动理论可以说是磁化等离子体输运物理数值研究中最重要的工具。然而，尽管人们一直在努力寻找电磁陀螺运动系统的精确的局部能量-动量守恒定律，但至今仍未找到。如果没有这样一个局部的守恒定律，能量-动量可以瞬间穿越时空，这是非物理的，并对基于陀螺运动理论的数值模拟的有效性产生怀疑。从相应的对称性导出守恒律的标准诺特程序不适用于回转运动系统，因为回转中心和电磁场位于不同的流形上。为了克服这一困难，我们发展了一个高阶场论的经典粒子场系统的非均匀流形上，并应用它来推导精确的局部守恒律，特别是能量-动量守恒定律，为电磁陀螺系统。建立了一个弱Euler-Lagrange方程来代替粒子的标准Euler-Lagrange方程。研究发现，一个感应的弱欧拉-拉格朗日流进入局部守恒律。它是非均匀流形上的高阶场论所捕获的新物理。
2021-04-22 physics.plasm-ph
First principles gyrokinetic analysis of electromagnetic plasma instabilities
本文在回旋动力学理论的框架内对电磁堆芯托卡马克不稳定性进行了双重分析。第一原理的理论基础的gyrokinetic理论被用来解释和证明与全球电磁粒子在细胞的代码Orb5，其模型是来自拉格朗日形式主义的数值结果。对应于Orb5模型的能量守恒定律是从Noether定理推导出来的，并在代码中实现为能量平衡和守恒验证的诊断。一个额外的诺特定理为基础的诊断实施，以分析不稳定的机制，在托卡马克的核心区域的静电和电磁离子温度梯度（ITG）的不稳定性。研究了高电磁场$β$下向动力学振荡模（KBM）的转变。
2019-03-26 physics.plasm-ph
Gyrokinetic particle-in-cell simulations of electromagnetic turbulence in the presence of fast particles and global modes
本文利用回旋粒子格子程序ORB 5（E. Lanti等人，Comp.Phys.Comm.，${\bf 251}$，107072（2020））和EUTERPE（V.Kornilov等人，Phys.Plasmas，${\bf 11}$，3196（2004））。模拟这种复杂的耦合系统的计算可行性证明。
2022-03-22 physics.plasm-ph
A Gyrokinetic Simulation Model for Low Frequency Electromagnetic Fluctuations in Magnetized Plasmas
本文提出了一个新的模型，用于模拟在一般磁位形中等离子体中频率远低于离子回旋频率的电磁涨落。这个新的模型（称为GK-E&B）采用非线性陀螺方程制定的电磁场以及动量平衡方程求解领域。因此，它不仅包括动力学效应，如波粒相互作用和微观（离子拉莫尔半径尺度）物理;而且在计算上比传统的公式描述的潜力更有效。作为一个基准，我们进行线性以及非线性模拟的动力学阿尔芬波，演示物理与分析理论。
2020-11-18 physics.plasm-ph
Numerics and computation in gyrokinetic simulations of electromagnetic turbulence with global particle-in-cell codes
本文用全球回旋动力学粒子格子程序ORB 5研究了托卡马克和仿星器等离子体中的电磁湍流。Lanti等人，Comp. Phys. Comm，第251卷，107072（2020）]和EUTERPE [V. Kornilov等人，Phys. Plasmas，第11卷，3196（2004）]。大纵横比托卡马克，缩小规模的ITER，和Wendelstein 7-X几何被认为是。主要目标是增加等离子体β，机器尺寸，离子与电子质量比，以及在这样的模拟中包括逼真的几何特征。研究了在部署大规模GPU的计算机系统上的相关数值要求和计算成本。这些都是必要的步骤，使电磁湍流模拟在未来的反应堆等离子体。
2021-05-04 physics.plasm-ph
Gyrokinetic ion and drift kinetic electron model for electromagnetic simulation in the toroidal geometry
电子的动力学效应对长波长磁流体动力学（MHD）不稳定性和短波长漂移Alfvenic不稳定性都很重要，因为非绝热电子可以与低频不稳定性相互作用，改变和驱动低频不稳定性。提出了一种新的守恒分裂权方法，用于托卡马克等离子体中漂移动力学电子的电磁场模拟，该方法在不牺牲物理特性的前提下，不受垂直网格尺寸对电子趋肤深度的数值约束，具有很大的计算优势.利用该模型验证了动力学Alfven波和无碰撞撕裂模的存在，并已将其应用于GTC程序中。该模型将用于微撕裂模和基于第一性原理的新经典撕裂模的模拟。
2017-02-05 physics.plasm-ph
Magnetic Fluctuations in Gyrokinetic Simulations of Tokamak Scrape-Off Layer Turbulence
理解托卡马克边缘和刮削层（SOL）中的湍流输运物理是研制成功聚变堆的关键。在这些区域中的动态起着关键作用，在实现高融合性能，通过确定边缘基座，抑制H模式中的湍流。此外，反应堆的存活率由容器壁的热负荷决定，因此了解热量沿SOL中的开放磁场线流动时的湍流扩散非常重要。大幅波动、磁X点几何形状以及等离子体与材料壁的相互作用使得模拟边缘/SOL中的湍流比核心区域更具挑战性，需要专门的陀螺动力学代码。此外，包括在陀螺运动模拟，可以处理边界等离子体的独特挑战的电磁效应是至关重要的理解的现象，如基座和ELMs，电磁动力学预计是重要的。在这篇论文中，我们开发了第一个能力来模拟开放磁场线上的电磁回旋湍流。这是一个重要的一步，全面的电磁陀螺运动模拟的耦合边缘/SOL系统。通过使用一个连续的全f的方法，通过一个节能的不连续Galerkin（DG）离散方案，避免了安培抵消问题，我们表明，电磁波动可以处理在一个强大的，稳定的，和有效的方式在Gkeyll代码的gyrokinetic模块。然后，我们提出的结果，大致模拟刮落层的国家球形环面实验（NSTX），并表明电磁效应可以影响斑点的动力学和运输。我们还制定了gyrokinetic系统在现场对齐的坐标建模现实的边缘和刮落层的几何形状在实验中。
2021-03-30 physics.plasm-ph
Turbulent broadening of electron heat-flux width in electromagnetic gyrokinetic simulations of a helical scrape-off layer model
我们表明，交叉场运输的刮除层（SOL）可以适度增加电磁效应在高β制度，导致在更广泛的电子热通量的宽度上的终板。这一结论是从全$f$电磁陀螺动力学模拟的螺旋SOL模型，大致近似的SOL的国家球形环面实验（NSTX）。Gkeyll代码，最近成为第一个代码，以证明有能力模拟开放的磁场线鞘边界条件的电磁回旋湍流的模拟已经进行。我们扫描源速率，从而扫描$β$，以便在实验相关范围$α= 0.3-1.5$上扫描归一化压力梯度（MHD气球参数$α\propto \partial β/ \partial r \propto β/ L_p$）。当β增加时，中平面附近的压力梯度标度长度$L_p$几乎没有变化，中平面附近的交叉场传输增加10%会导致电子热通量宽度$λ_q$增加，到达终板的峰值电子热通量减少25%。
2022-04-26 physics.plasm-ph
Gyrokinetic Theory of Low-frequency Electromagnetic Waves in Finite-$β$ Anisotropic Plasmas
本文提出了有限$β$各向异性均匀等离子体中频率远低于离子回旋频率的电磁波和不稳定性的回旋动力学理论。这里，$β$是等离子体压力和磁压力之间的比率。分析中充分保留了有限拉莫尔半径和波粒共振引起的动力学效应。相应的线性色散关系和波的偏振，有效的一般$β$值和垂直波长，然后具体推导了双麦克斯韦等离子体。给出了动力学不稳定性判据和镜像不稳定性判据的解析表达式。模式的频率，稳定性和波偏振的一个广泛的频谱正常模式，然后在一组参数的系统研究中进行了数值研究。我们的研究清楚地表明，由于有限离子的拉莫尔半径效应，离子声波，镜像模式，和剪切阿尔芬波本质上耦合。
2022-03-24 physics.plasm-ph
A very general electromagnetic gyrokinetic formalism
我们推导出一个gyrokinetic形式主义，这是非常普遍有效的：排序允许在长波长的等离子体流和磁场，像典型的漂移动力学理论，以及在陀螺仪尺度的波动大的不均匀性。基本的方法是为了涡量是小的，并断言，在当地等离子体帧的时间尺度是长的陀螺频率相比。与大多数其他推导不同，我们不单独处理涨落场的长波长和短波长分量;单场描述以统一的方式定义了粒子运动及其与小尺度、系统尺度和中间长度尺度电磁场的相互作用。在早期的文献中，工作包括确定一个坐标系的陀螺角相关的条款是小的，并使用近统一变换系统地找到一组坐标的陀螺角依赖消失。
2016-03-21 physics.plasm-ph
A High-order piecewise field-aligned triangular finite element method for electromagnetic gyrokinetic particle simulations of tokamak plasmas with open field lines
Max Planck Institute for Plasma Physics（马克斯·普朗克等离子体物理研究所）；Max Planck Computing and Data Facility（马克斯·普朗克计算与数据设施）
本文提出一种高阶分段场对齐三角有限元方法，用于高效模拟托卡马克等离子体中的电磁旋磁粒子-网格问题。
2026-02-03 physics.plasm-ph
Gauge-invariant variational formulations of electromagnetic gyrokinetic theory
本文通过推导回旋中心坐标变换的充分条件，提出一族规范不变的回旋动理学模型，可直接用电磁场表述，并保留正确的阿尔芬波频率。
2025-06-18 physics.plasm-ph
Global Gyrokinetic Simulations of Electromagnetic Turbulence in STEP
York Plasma Institute, University of York（约克等离子体研究所，约克大学）
本文通过GENE的长波δB∥求解器开展STEP的全局电磁gyrokinetic模拟，揭示有限β下电磁湍流非线性饱和特性，确立全局gyrokinetics捕捉类STEP等离子体动力学的能力。
2026-09-03 physics.plasm-ph
Verification of a Fully Implicit Particle-in-Cell Method for the $v_\parallel$ Formalism of Electromagnetic Gyrokinetics in the XGC Code
在XGC中实现了一种全隐式的粒子网格法来处理电磁陀螺动力学的$v_\parallel$形式。通过选择$v_\parallel$ -形式主义，我们避免了在安培定律中引入非物理皮肤项，这些皮肤项是$p_\parallel$ -形式主义中众所周知的"取消问题”的原因。然而，$v_\parallel$ -形式主义，是已知的，遭受从一个数值不稳定性时，显式的时间积分方案是由于在粒子运动方程的时间导数的外观从感应分量的电场。在这里，使用传统的$δf$计划，我们证明了我们的隐式离散算法可以提供数值稳定的模拟结果与准确的色散特性。我们使用剪切阿尔文波传播的测试情况下，除了证明ITG-KBM过渡的情况下，验证该算法。ITG-KBM过渡的情况下，从其他$δf$ gyrokinetic代码/计划，其验证已经存档在文献中获得的结果进行了比较。
2021-06-12 physics.plasm-ph
Excitation of low-n TAE instabilities by energetic particles in global gyrokinetic tokamak plasmas
首次对高能粒子激发超环面Alfven本征模（TAE）进行了线性全局电磁回旋粒子模拟。随着高能粒子压力的增加，TAE频率向下移动到较低的连续谱中。
2008-12-22 physics.plasm-ph
Electromagnetic full-$f$ gyrokinetics in the tokamak edge with discontinuous Galerkin methods
对长波长极限下的全$f$电磁陀螺动力学系统提出了一种能量守恒的间断Galerkin格式。我们使用辛公式和直接求解$\partial A_\parallel/\partial t$，平行电场的电感分量，使用直接从陀螺运动方程推导出的广义欧姆定律。线性基准进行验证的实施，并表明该计划避免了安培取消的问题。我们进行了非线性电磁模拟的螺旋开放场线系统作为一个粗略的模型，托卡马克刮削层使用的参数从国家球形环实验（NSTX）。这是首次发表的非线性电磁陀螺动力学模拟开放场线。比较相应的静电模拟。
2020-03-19 physics.comp-ph physics.plasm-ph
ORB5: a global electromagnetic gyrokinetic code using the PIC approach in toroidal geometry
本文介绍了全球陀螺动力学代码ORB 5的当前状态，作为对以前参考文献[Jolliet等人，Comp. Phys. Commun. 177 409（2007）]。ORB 5代码使用PIC方案求解电磁Vlasov-Maxwell方程组，还包括碰撞和强流。该代码假设多个回旋离子物种在所有波长的极化密度和漂移动力学电子。可以为电子选择物理模型的变体，例如假设绝热响应或"混合“模型，其中假设通过的电子是绝热的，而捕获的电子是漂移动力学的。傅立叶滤波器以及各种控制变量和降噪技术使仿真能够以有限的数值成本获得良好的信噪比。他们完成了不同的动量和纬向流守恒热源允许温度梯度和通量驱动的模拟。该代码在CPU和GPU上运行，与其他类似代码和分析预测进行了很好的基准测试，并显示出良好的可扩展性，可扩展到数千个节点。
2019-05-06 physics.plasm-ph
Reduction of transport due to magnetic shear in gyrokinetic simulations of the scrape-off layer
通过对一个螺旋形刮除层模型的电磁回旋动力学模拟，研究了变化的磁剪切对刮除层湍流和廓线的影响。我们开发了一个模型的螺旋几何磁剪切和相应的磁场对齐坐标系，这是用于模拟与Gkeyll代码。我们发现，垂直运输减少的情况下，更强的剪切，导致更高的峰值粒子和热通量的终板。在强剪切情况下，电磁效应略微增加输运。
2021-12-28 physics.plasm-ph
Exact conservation laws for gauge-free electromagnetic gyrokinetic equations
对无规范电磁回旋运动的Vlasov-麦克斯韦方程组的哈密顿和辛表示，用Noether方法导出了精确的能量和角动量守恒定律.这些gyrokinetic方程，这是唯一表示的电磁场，描述的低频湍流波动扰动的时间无关的超环面轴对称磁化等离子体。这里提出的明确的证明提供了一个完整的图片之间的能量和角动量的转移的陀螺中心和扰动的电磁场，其中陀螺中心的极化和磁化效应所发挥的关键作用被突出。除了得到一个精确的角动量守恒定律外，陀螺运动的Noether方程还得到一个精确的动量输运方程，这在更一般的平衡磁几何中可能是有用的。
2021-05-13 math-ph math.MP physics.plasm-ph
The gyrokinetic field invariant and electromagnetic temperature-gradient instabilities in `good-curvature' plasmas
本研究通过回旋动理学场不变量解释了曲率驱动不稳定性的局域特性，证明良曲率区不稳定模式必为电磁性，提出新型磁漂移模式并探讨其在高β聚变等离子体中的意义。
2025-01-20 physics.plasm-ph
Local momentum balance in electromagnetic gyrokinetic systems
本文用欧拉变分公式推导电磁陀螺动力学系统的局部动量平衡，阐明碰撞、外源、磁场对称性及微湍流压强张量对动量守恒与输运的作用。
2024-04-08 physics.plasm-ph
Electromagnetic gyrokinetic instabilities in STEP
本文对反应堆规模托卡马克STEP进行了局部线性回旋动理学分析，发现其平衡态主要由混合KBM不稳定性主导且伴随次主导的MTMs，通过三代码基准测试验证了结果并为非线性研究奠定基础。
2023-10-05 physics.plasm-ph
Electromagnetic total-f algorithm for gyrokinetic particle-in-cell simulations of boundary plasma in XGC
本研究将XGC中原用于核心等离子体的简化delta-f混合变量/回拉电磁算法推广为可纳入边界等离子体的total-f电磁算法，通过类DIII-D的H模模拟验证其对提升电子输运模拟保真度的必要性。
2022-04-26 physics.plasm-ph
On the transition to large fluxes and access to second stability in gyrokinetic simulations of electromagnetic turbulence in STEP
UK Industrial Fusion Solutions Ltd.（英国工业聚变解决方案有限公司）
研究STEP中电磁湍流局部陀螺动力学模拟里向大热量通量的非线性转变，借助应力平衡框架，通过大量模拟表明转变由静电和磁颤应力平衡控制，给出相关临界值及不同托卡马克情况，为识别禁区预测提供框架，增进对电磁饱和物理的理解。
2026-07-15 physics.plasm-ph
ORB5X: a performance-portable global electromagnetic gyrokinetic PIC code in C++/Kokkos built using Agentic AI
Paul Scherrer Institute（保罗谢尔研究所）；Department of Mechanical Engineering, MIT（麻省理工学院机械工程系）；École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）；Max-Planck-Institut für Plasmaphysik（马克斯·普朗克等离子体物理研究所）
本文介绍ORB5X，它是ORB5的C++/Kokkos版本，保留了原Fortran代码的数学模型与算法，通过替换模块和数组提升性能可移植性，经测试与原代码精度相近，且能在多种设备上编译运行。
2026-09-09 physics.plasm-ph
Gyrokinetic Electromagnetic Particle Simulations in Triangular Meshes with C1 Finite Elements
本研究提出采用C1三角形有限元、混合变量/拉回方案的三角形网格回旋动理学电磁粒子模拟方法，经ITPA-TAE基准及实验参数验证，可用于全等离子体体积研究及真实等离子体条件。
2024-10-04 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Global gyrokinetic simulations of ASDEX Upgrade up to the transport time-scale with GENE-Tango
准确描述湍流的传输时间尺度是必不可少的预测核心等离子体的配置文件，并使可靠的计算设计先进的方案和未来的设备。在这里，我们利用湍流和运输时间尺度之间的间隙分离，并耦合全球gyrokinetic代码GENE的运输求解器探戈，包括动力学电子，碰撞，现实的几何形状，环形旋转和电磁效应的第一次。这种方法克服了陀螺动力学代码的局限性，并使高保真度的轮廓计算在实验相关的等离子体条件下，显着降低了计算成本。我们目前的数值计算结果的GENE-Tango两个ASDEX升级放电，其中之一表现出明显的峰化的离子温度分布没有重现TGLF-ASTRA。我们表明，GENE-Tango可以正确捕获实验中观察到的离子温度峰值。通过在GENE模拟中保留不同的物理效果，例如，碰撞，环向旋转和电磁效应，我们证明了离子温度分布的峰值是由于电磁效应的亚边缘MHD不稳定性。基于这些结果，预期的GENE-Tango加速的ITER标准方案是大于两个数量级相比，一个单一的gyrokinetic模拟运输时间尺度，可能使第一原理ITER模拟可行的当前计算资源。
2022-04-12 physics.plasm-ph
The non-linear evolution of the tearing mode in electromagnetic turbulence using gyrokinetic simulations
利用Vlasov陀螺动力学程序GKW研究了磁岛的非线性演化。考虑了电磁湍流与撕裂不稳定$Δ' > 0$电流分布产生的自洽生长磁岛的相互作用。湍流能够通过产生宽度近似为离子回旋半径的结构来播种磁岛并绕过线性生长阶段。岛的宽度和它的旋转频率的非线性演化，在此播种阶段后，被发现被修改，并依赖于等离子体β和平衡压力梯度的值。在低的β值的岛屿演变很大程度上独立的湍流，而在较高的值的相互作用有一个显着的影响岛屿的增长，导致岛屿的增长率呈指数增长的线性阶段，即使岛是大于线性理论的有效性。湍流迫使岛在离子反磁方向上旋转，而不是在没有湍流时旋转的电子反磁方向。此外，它被发现，模式旋转减慢，岛的大小的增长。
2015-07-10 physics.plasm-ph
Global Gyrokinetic Simulation of Tokamak Edge Pedestal Instabilities
全球电磁陀螺动力学模拟表明，在两个DIII-D H模式放电的边缘基座中，存在高$n$动力学气球模式（KBM）和中间$n$动力学版本的剥离气球模式（KPBM）的近阈值条件。当磁剪切在陡峭的压力梯度的狭窄区域中减小时，KPBM显著稳定，而KBM弱不稳定，因此成为最不稳定的模式。碰撞降低了KBM的临界$β$并增加了生长速率。
2012-09-26 physics.plasm-ph
Gyrokinetic Simulations on Many- and Multi-core Architectures with the Global Electromagnetic Particle-In-Cell Code ORB5
等离子体物理中的回旋动力学代码需要出色的计算资源来解决日益复杂的问题，需要有效利用尖端的HPC架构。本文重点介绍了使ORB 5，一个国家的最先进的，基于第一原理的gyrokinetic代码，现代并行混合多核，多GPU系统。ORB 5是一个拉格朗日，粒子单元（PIC），有限元，全球，电磁代码，最初通过基于域分解和域克隆的MPI实现分布式并行。为了支持多核/多核设备，代码已经完全重构。数据结构经过重新设计，以确保高效的内存访问，增强数据局部性。多线程已通过CPU上的OpenMP引入，并采用OpenACC来支持GPU加速。MPI仍然可以与这两种方法结合使用。使用完整的生产ORB 5代码的首脑会议系统在ORNL，在Piz Daint在CSCS和马可尼系统在CINECA的性能结果，显示所采用的解决方案的有效性和性能的可移植性：相同的源代码版本被用来产生所有的结果在所有架构。
2020-02-14 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Symplectic gyrokinetic Vlasov-Maxwell theory
本文提出了一种新的Vlasov-Maxwell电磁陀螺运动理论，其中陀螺中心运动方程仅用扰动电场和扰动磁场表示。在这种表示中，陀螺中心辛（泊松括号）结构和陀螺中心雅可比矩阵包含与标准的一阶陀螺中心极化和磁化条款，传统上出现在回旋麦克斯韦方程组的电和磁扰动项。此外，陀螺中心极化漂移（包括扰动磁场校正）现在明确出现在陀螺中心速度。辛回旋动力学的弗拉索夫-麦克斯韦方程组是自洽地从一个约束欧拉变分原理，它产生精确的能量动量守恒定律（通过Noether方法），明确验证。在轴对称背景磁场的假设下，导出了一个精确的环面正则角动量守恒定律。
2020-09-24 physics.plasm-ph
Generalized mixed variable-pullback scheme with non-ideal Ohm's law for electromagnetic gyrokinetic simulations
本研究将非理想欧姆定律整合到混合变量-回拉格式中，提出纯辛（$v_\text{∥}$）电磁回旋动理学模拟格式，避免抵消问题，通过一维剪切阿尔芬波问题验证其与理想格式性能相当，并提出无欧姆定律的改进格式以减少标记数提升性能。
2025-09-23 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Sub-Second Collisionless Gyrokinetic Eigenvalue Solutions via Orbit-Invariant Decomposition
Beijing VeloAlpha Technology Co., Ltd.（北京维洛阿尔法科技有限公司）；School of Nuclear Science and Technology, University of Science and Technology of China（中国科学技术大学核科学与技术学院）；School of Physics, Peking University（北京大学物理学院）
该研究提出轨道不变量分解方法，扩展MGK代码实现亚秒级无碰撞陀螺kinetic本征值求解，速度较CGYRO提升三个数量级以上，可高效用于聚变装置参数扫描与电磁模拟扩展。
2026-09-09 physics.plasm-ph
Derivation via free energy conservation constraints of gyrofluid equations with finite-gyroradius electromagnetic nonlinearities
通过使用基本的delta-f陀螺运动分布函数的Hermite多项式形式，使电磁陀螺流体方程的推导系统化。陀螺自由能功能明确地用于建立模型。陀螺流体自由能直接遵循。的相互作用项中的gyrokinetic拉格朗日被用来获得对应的gyrofluid，从其中的极化方程如下。一个封闭的规则，决定采取的动力学陀螺平均运营商的时刻。这些步骤修正了陀螺流体方程保守部分的其余推导。耗散，然后添加在一种形式，以获得正定耗散，并获得在其适当的限制碰撞流体方程。现有的结果被恢复，除了一个完全一致的模型有限gyroradius效应的非线性负责磁重联。
2010-08-11 physics.plasm-ph
On the electromagnetic effects of collisionless trapped-electron modes
University of Colorado at Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）
提出无碰撞捕获电子模的线性陀螺动力学理论，发现其弱电磁效应源于粒子动力学，理论分析表明捕获电子平行电流的动力学和类流体分量在主导阶抵消，电磁CTEM中扰动平行电流由通过电子主导。
2026-07-07 physics.plasm-ph
Gyrokinetic investigation of Alfvén instabilities in the presence of turbulence
采用全局电磁回旋动力学粒子模拟程序ORB 5研究了磁约束等离子体中Alfvén模（AM）与离子温度梯度（ITG）湍流之间的自洽相互作用.在这里，一个轴对称的磁平衡与反向剪切和大的纵横比被认为是。通过引入超热离子群，使环模数n=5的AM不稳定。一旦AM在充分发展的湍流的存在下饱和，离子热通量由AM及其主要谐波主导。ITG诱导的运输也被发现在不稳定的AM的存在下增强。
2019-12-19 physics.plasm-ph
Linear gyrokinetic simulation of kinetic infernal mode
本研究通过GTC代码开展线性回旋动理学模拟，发现磁剪切由强变弱时动理学气球模（KBM）会平滑过渡到动理学内模（KIM），二者或属同一物理模式，且KIM可通过调整磁剪切与压力梯度有效调控。
2024-05-17 physics.plasm-ph
A conservative scheme for electromagnetic simulation of magnetized plasmas with kinetic electrons
本文提出并验证了一种用于自旋粒子模拟磁化等离子体中电磁波和不稳定性的守恒格式。由漂移动力学方程导出的电子连续性方程，通过由平行矢势计算的扰动机械流，将电子密度扰动时间推进，由扰动分布函数计算的扰动正则流，求解平行矢势。在回旋粒子模拟中，利用这种新格式恢复了无剪切平板中的剪切Alfvén波频散关系和剪切柱体中的连续阻尼。新方案克服了传统微扰模拟方法对垂直网格尺寸的严格要求，即对于长波长Alfvén波，垂直网格尺寸必须与电子无碰撞趋肤深度一样小.新方案还避免了传统方法中由扰动密度计算的静电势与由扰动正则流计算的矢量势不一致而产生非物理意义上的大平行电场的问题。最后，与流体模拟相比，剪切柱体中Alfvén波的回旋粒子模拟具有更好的数值特性，流体模拟遭受与奇异模式结构相关的数值困难。
2017-12-03 physics.plasm-ph
Nonlinear seed island generation by three-dimensional electromagnetic, gyrokinetic turbulence
湍流被证明是至关重要的新古典撕裂模式的发病和演变，影响其增长和旋转。本文首次在三维环形回旋框架内研究了这种相互作用。湍流波动不会在岛屿发展的早期破坏岛屿，岛屿在生长过程中保持着连贯的形式，事实上，岛屿是由非线性相互作用决定的，其旋转频率也是由非线性相互作用决定的。这个过程提供了一个初始结构，是离子回旋半径宽的顺序，允许岛迅速达到大尺寸。在分界面周围有很大程度的随机性，并且可以看到X点的完全击穿，这显著减小了有效岛宽度。岛中和周围的静电场的湍流修改极大地影响谐振层宽度的大小，并且即使岛明显宽于奇异层宽度，也可以看到岛以线性速率生长。
2014-03-06 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Gyrokinetic global simulation of Alfvenic ion temperature gradient mode in reversed magnetic shear
Max Planck Institute for Plasma Physics（马普等离子体物理研究所）；Institute for Fusion Theory and Simulation, Zhejiang University（浙江大学聚变理论与模拟研究所）
使用陀动理学粒子-网格模拟系统研究了反向磁剪切磁约束聚变等离子体中由温度梯度驱动的电磁不稳定性，识别出一种弱剪切阿尔芬离子温度梯度模（WSAITG），并发现其由通行粒子共振驱动。
2026-05-29 physics.plasm-ph
TRIMEG-GKX: an electromagnetic gyrokinetic particle code with a Piecewise Field-Aligned Finite Element Method for Micro- and Macro-Instability Studies in Tokamak Core Plasmas
本文介绍了TRIMEG-GKX电磁回旋动理学粒子代码，其采用面向对象编程、无滤波器处理和高阶分段场对齐有限元方法，通过粒子分解和域克隆并行化，成功应用于托卡马克核心等离子体微观和宏观不稳定性研究。
2025-04-30 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Second order Gyrokinetic theory for Particle-In-Cell codes
陀螺动力学简化的主要思想是从等离子体动力学中系统地去除最快的运动尺度（陀螺运动），从而大大简化模型并节省计算时间。回旋Maxwell-Vlasov系统在强磁化等离子体的数值模拟中得到了广泛的应用。不同版本的简化方程组存在依赖于陀螺动力学简化过程的构造和推导时假设的近似。本文的目的是明确地显示一般的二阶gyrokinetic Maxwell-Vlasov系统发出的现代Gyrokinetic理论推导和目前实施的全球电磁粒子在细胞代码ORB 5的模型之间的连接。严格必要的信息，现代Gyrokinetic形式主义的Gyrokinetic麦克斯韦-Vlasov方程的动力学第一原理的一致推导。利用动力学的变分形式同时得到了相应的精确能量守恒定律。显式推导的结果用于验证目前在ORB 5代码中实现的节能诊断。这项工作订阅到代码验证项目VeriGyro目前运行在IPP马克斯普朗克研究所与其他欧洲机构合作的背景下。
2017-03-13 physics.plasm-ph
Energetic particles, Shafranov shift and finite $β$ effects on TAE, KBM and ITG instabilities in global electromagnetic gyrokinetic simulations
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne（洛桑联邦理工学院）；Max-Planck-Institut für Plasmaphysik（马克斯·普朗克等离子体物理研究所）；Université de Lorraine（洛林大学）；De Vinci Higher Education（德文奇高等教育）；University of Warwick（华威大学）
本文研究了强动能梯度和小比例的融合生高能粒子对等离子体稳定性的影响，通过全球gyrokinetic代码ORB5分析了Alfvén特征模、离子温度梯度模和动能气球模的线性和非线性稳定性，探讨了Shafranov位移和有限β效应的作用。
2026-09-07 physics.plasm-ph
Four-dimensional equations for the study of electromagnetic plasma turbulence in a drift kinetic limit
对于直磁引导场中的磁化等离子体，我们导出了一组四维动力学方程，它可以在漂移动力学极限下捕捉电磁湍流。为了做到这一点，我们从陀螺运动方程出发，在垂直速度方向上采用拉盖尔分解，只保留占主导地位的gyroaverage贡献和只有前两个拉盖尔矩的电磁波动源。该模型保存自由能，并可以描述电磁湍流的等离子体之间的过渡流体和gyrokinetic制度（$k_\perp ρ_i\approx 1$范围内的尺度），占主导地位的有限拉莫尔半径（FLR）的影响被认为是。除了位置空间中的三维，我们保留了平行速度依赖性，我们通过厄米表示来描述。采用这个系统，但没有任何其他物理为基础的假设等离子体的物种，可以偏置的结果，将使我们能够调查流体的影响如何过渡到动力学范围，并分析电磁等离子体湍流的空间和速度空间混合之间的相互作用。
2021-09-07 physics.plasm-ph
Guiding-center polarization and magnetization effects in gyrokinetic theory
通过在背景磁场非均匀性中保留一阶项，在陀螺运动理论中引入高阶导向中心极化和磁化效应。这些结果证实了现代陀螺动力学理论中两步摄动分析的一致性。
2010-08-23 physics.plasm-ph
Second order nonlinear gyrokinetic theory : From the particle to the gyrocenter
回转运动的简化是基于表征背景磁场和波动电磁场的不同小参数的特定排序。在本教程中，我们考虑以下小参数的排序：$ε\_B=ε\_δ^2$其中$ε\_B$是与背景磁场的空间不均匀性相关的小参数，$ε\_δ$表征波动场的小幅度。特别地，我们不对背景磁场的振幅做任何假设。鉴于这种选择的顺序，我们描述了一个独立的和系统的推导，这是特别适合于gyrokinetic减少，以下两个步骤的程序。我们遵循[Sugama，Physics of Plasmas 7，466（2000）]中开发的方法：在第一步中，使用速度平移，我们将在gyrocentre减少的辛部分上进行的变换嵌入到引导中心中。在第二步中，使用正则李变换，我们消除了从哈密顿的陀螺角依赖。因此，我们显式地导出了$ε\_δ$中的二阶全电磁陀螺运动方程。
2018-04-24 nlin.CD physics.plasm-ph
A current driven electromagnetic mode in sheared and toroidal configurations
托卡马克中的感应电场驱动平行的电子流。在非均匀、有限的β等离子体中，当电子流与离子热速度相当时，电磁陀螺动力学方程的阿尔文模式波解可以变成几乎纯粹增长的扭结模式。使用为动量传输研究开发的新的“低流量”版本的陀螺动力学代码GS 2 [Barnes等人2013 Phys.Rev.Lett. 111，055005]，我们能够模拟感应平行电场对电子分布的影响，以研究电流对稳定性的不稳定影响。我们确定高模式数扭结模式在GS 2模拟和剪切磁几何分析理论进行比较。我们表现出令人放心的协议与分析结果的模式频率和增长率的参数依赖性，以及关于径向模式结构。
2014-01-06 physics.plasm-ph
First global gyrokinetic profile predictions of ITER burning plasma
首次用GENE-Tango对15 MA ITER基准情景进行全局回旋动理学模拟，预测聚变增益Q=12.2，发现电磁模式主导芯部输运，安全因子分布对约束至关重要，带状流最终淬灭电子温度梯度湍流。
2025-11-05 physics.plasm-ph
Verification of the PICLS electromagnetic upgrade in mixed variables
针对回旋动理学粒子网格代码PICLS的安培抵消问题，研究人员实现了带拉回方案的混合变量表述，并通过剪切阿尔芬波模拟完成了该代码不同电磁升级表述的验证。
2025-03-21 physics.plasm-ph
A quasi-linear model of electromagnetic turbulent transport and its application to flux-driven transport predictions for STEP
本研究基于STEP相关参数的高β电磁非线性回旋动理学模拟数据库，建立全电磁准线性降维输运模型，植入T3D求解器开展首次STEP通量驱动模拟，验证其可描述hybrid-KBM湍流主导的输运稳态，支持STEP存在与概念设计功率相当的聚变稳态。
2025-01-09 physics.plasm-ph
Phase-space Lagrangian derivation of electrostatic gyrokinetics in general geometry
陀螺运动理论是基于小参数$ε$的渐近展开，定义为回转半径与磁场变化的特征长度之比。在本文中，这种排序是严格执行的计算静电回旋相空间拉格朗日在一般磁几何有序$ε^2$。特别是，完整的二阶gyrokinetic哈密顿量提供了一个新的表达式，表明在严格的治疗gyrokinetic理论磁几何和湍流不能独立处理。新的相空间回旋运动拉格朗日量给出了精确到$ε^2$阶的Vlasov方程和精确到$ε$阶的Poisson方程。最后的表达式是显式的，可以实现到任何模拟，而无需进一步的计算。
2014-07-24 physics.plasm-ph
On the importance of parallel magnetic-field fluctuations for electromagnetic instabilities in STEP
本文针对STEP托卡马克等离子体，通过回旋动理学模拟研究平行磁场涨落对电磁不稳定性的影响，分析MHD近似的适用性及局限性，明确大输运状态的成因并非仅源于δB∥物理。
2024-05-20 physics.plasm-ph
Beyond linear gyrocenter polarization in gyrokinetic theory
阐明并推广了回转运动理论中的极化概念，使之包括了导向中心（零阶）极化和非线性（二阶）回转中心极化的贡献。引导中心偏振，这似乎作为标准的线性（一阶）的陀螺中心偏振的前件（零阶），从一个修改的引导中心变换。从三阶陀螺中心哈密顿量变分导出了非线性陀螺中心极化，或直接用陀螺中心推进法导出。
2013-09-06 physics.plasm-ph
