Reassessing the impact of megaelectronvolt ions in fusion plasmas via gyrokinetic simulations
通过回旋动理学模拟重新评估兆电子伏离子对聚变等离子体湍流抑制的影响，指出Mazzi等人结果因模拟分辨率不足而失真，修正后热导率显著增加，质疑其性能增强结论。
2023-06-19 physics.plasm-ph
Modelling the Lagrangian of magnetized plasmas with low-frequency magnetic perturbations by a gyrokinetic Ampere-Poisson model
按照Ref. (1)本文引入了粒子坐标系上的基本拉格朗日1-形式，它决定了低频磁扰动下磁化等离子体中所有离子和电子的动力学行为。一个安培-弗拉索夫模型被用来模拟这种基本的拉格朗日1-形式的基础上的一种粗粒度的计划。利用Cary-Littlejohn单参数Lie变换方法，通过对质点坐标系下的基本拉格朗日1-形式进行变换，得到了陀螺心坐标系下新的基本拉格朗日1-形式。这个新的1-形式决定了所有离子和电子在陀螺中心坐标上的动力学。提出了一种完全定义在陀螺中心坐标系上的新的Ampere-Vlasov模型来模拟新的拉格朗日1-形式。通过将静电微扰引入拉格朗日1-形式，我们最终得到了一个定义在陀螺中心坐标上的Ampere-Poisson-Vlasov模型。
2017-04-30 physics.plasm-ph
2DESR: a two-dimensional Fourier-space gyrokinetic eigenvalue code for the ion-temperature-gradient modes in tokamaks
Department of Engineering and Applied Physics, University of Science and Technology of China（中国科学技术大学工程与应用物理系）
2DESR是一种用于托卡马克中离子温差梯度模的二维gyrokinetic 特征值求解器，通过极向傅里叶空间求解，并在绝热电子测试中与GENE和NLT代码对比验证。
2026-02-07 physics.plasm-ph
Electrostatic gyrokinetic simulation of global tokamak boundary plasma and the generation of nonlinear intermittent turbulence
边界等离子体物理在托卡马克约束中起着重要的作用，但由于磁分界线和开放磁场几何中尺度不可分的非定域多物理，使得回旋动力学程序难以模拟。中性粒子也是边界等离子体物理的重要组成部分。本文报道了用惰性静电回旋技术模拟磁通驱动的低β静电边界等离子体。回旋运动离子和漂移运动电子的利用没有新古典和湍流动力学之间的尺度分离。结果表明，非线性间歇湍流是边界等离子体中磁分界面附近和刮削层中的一种自然回旋运动现象。
2017-01-25 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
Comprehensive Gyrokinetic Study of Eigenstate Transitions in Fast Ion-Driven Electrostatic Drift Instabilities
本研究通过回旋动理学理论推导和GKV模拟，揭示了通行快离子驱动的漂移不稳定性中本征态转变的机制，并发现净能量通量可向内，对聚变加热效率有重要影响。
2025-01-23 physics.plasm-ph
Gyrokinetic simulations of the influence of electron cyclotron current drive on tearing mode instabilities in tokamaks
用回旋动力学方法模拟了HL-2A和DIII-D装置中电子回旋电流驱动和离子动力学效应对m/n=2/1撕裂模（TM）不稳定性的影响。用有限质量电子模型计算了TM的演化，用射线追迹和Fokker-Planck方法得到了射频电流源。在HL-2A装置中，连续的1 MW 68 GHz X ~ 2模可以很好地稳定TM，而在DIII-D装置中，由于输入功率不足，1 MW 110 GHz X ~ 2模只能部分稳定不稳定性（CR= I_{rf} / I_{0}，其中Irf为波驱动电流，I 0为平衡等离子体电流）。结果还表明，螺旋电流驱动比连续ECCD更有效。GTC模拟的分析表明，无论是在HL-2A和DIII-D，离子的存在可以减少岛的宽度以及生长速率。此外，热离子对TM的动力学效应被发现是更明显的离子温度越高。
2018-07-10 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
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
Gyrokinetic Equations for Strong-Gradient Regions
本文发展了一套适用于托卡马克和其它磁约束装置的边缘区以及内部输运势垒的旋动力学理论。其结果是一个实用的一组方程，是有效的大扰动振幅[qδ/T = O（1），其中δ = δ- v_par δA_par/c]，这是简单的数字实现，并具有其守恒性质的直接表达式。这里，q是粒子电荷，δ ε和δA_par是扰动的静电势和平行磁势，v_par是平行速度，c是光速，T是温度。推导是基于量ε：=（ρ/λ）qδ θ/T << 1作为小展开参数，其中ρ是回转半径，λ是垂直波长。物理上，这种排序要求E \times B速度和垂直于平衡磁场的平行速度分量与热速度相比较小。对于在“混合长度”水平处饱和的非线性波动（即，在这样的水平上，轮廓量中的驱动梯度局部变平），ε是ρ/L阶，其中L是平衡轮廓尺度长度，对于范围从ρ到L的所有尺度λ。即使对于λ ~ L，qδ ε/T = O（1）也是如此。从排序L/R =O（ε）得到显著的额外简化，其中R是磁场变化的空间尺度。我们认为，这些排序是很好地满足在强梯度区域，如边缘和screapeoff层区域和内部输运障碍托卡马克，并预计我们的方程将是有用的，作为这些地区的模拟模型的基础。
2012-02-07 physics.plasm-ph
Energetic bounds on gyrokinetic instabilities. Part 4. Bounce-averaged electrons
本文将最优模式分析用于含完全回旋动理学离子与反弹平均电子的简化双组分系统，获得更紧的离子尺度不稳定性能量上界，并揭示最大-J性质借助模式惯性产生额外稳定作用。
2024-04-09 physics.plasm-ph
First principles of modelling the stabilization of microturbulence by fast ions
快离子稳定离子温度梯度驱动的微湍流的观察对未来的聚变反应堆具有深远的意义。它在优化当今设备的性能方面也很重要。在这项工作中，我们详细研究了快速离子稳定的现象，并提出了一个简化的模型来描述这种效果。该模型是从高能量极限的gyrokinetic方程，并扩展了现有的“稀释”模型，占非平凡的快离子动力学。我们的模型提供了一个物理上透明的解释所观察到的稳定，并作出了几个关键的定性预测。第一，不同种类的快离子，取决于它们的径向密度或温度变化，具有不同的稳定特性。其次，正是因为快速离子带状响应可以忽略，所以带状流是这种效应的重要成分。最后，在高能量快离子的限制下，它们的响应接近“稀释”模型;特别是，α粒子预计对等离子体湍流几乎没有稳定作用。我们支持这些结论，通过详细的线性和非线性陀螺动力学模拟。
2018-06-05 physics.plasm-ph
The Structure of Plasma Heating in Gyrokinetic Alfvénic Turbulence
我们分析等离子体加热弱碰撞动力学阿尔文波（KAW）湍流使用高分辨率gyrokinetic模拟跨越离子和电子gyroradii之间的尺度范围。具有高于平均加热速率的真实空间结构被示出为不限于当前片。这一新的结果与以前的研究不一致，以前的研究使用局部电子流体框架中的电磁功，即$\mathbf{J} \!\cdot\! (\mathbf{E} + \mathbf{v}_e\times\mathbf{B})$，作为湍流耗散的代理，认为加热遵循电流的间歇性空间结构。此外，我们表明，电子主要由平行加热，而离子更喜欢垂直加热路线。我们评论的影响，在这里提出的结果。
2016-11-18 physics.plasm-ph
Variational Formulation of a Hybrid Kinetic and Gyrokinetic Model for Astrophysical and Laboratory Plasmas
KU Leuven（荷语鲁汶大学）；Max Planck Institute for Plasma Physics（马克斯·普朗克等离子体物理研究所）；Ruhr-University Bochum（波鸿鲁尔大学）
该研究针对太阳风电磁湍流，提出含全动理学离子与 gyrokinetic 电子的拉格朗日模型，采用一致数学形式，通过高阶李变换微扰方法与变分法实现高效描述高频波和动理学电子效应的模型。
2026-07-31 physics.plasm-ph
Gyrokinetic Field Theory as a Gauge Transform or: gyrokinetic theory without Lie transforms
该论文提出陀螺动力学理论应视为低频规范变换而非粒子轨道处理，通过在拉格朗日量中变换保持能量与动量守恒，为全f电磁陀螺动力学计算提供基础。
2024-05-28 physics.plasm-ph
Multiscale Gyrokinetics for Rotating Tokamak Plasmas II: Reduced Models for Electron Dynamics
在本文中，我们扩展了[Abel et.例如，代表计划物理、提交]通过利用离子和电子之间的尺度分离。将回旋动力学方程展开为电子与离子质量比的幂，从而为导出约化电子模型提供了一种严格的方法。我们证明了离子尺度的电磁扰动不会改变磁拓扑结构，并认为最低阶的磁场位于涨落通量面上。这些通量表面被用来构建磁坐标，并在这些坐标系中的电子响应离子尺度湍流的方程的封闭系统的推导。所有快电子时标都已从这些方程中消除。我们还使用这些磁表面构造的约化电子模型的电子和电子热的输运方程。
2013-02-28 physics.plasm-ph
Long-wavelength limit of gyrokinetics in a turbulent tokamak and its intrinsic ambipolarity
最近，静电陀螺运动的哈密顿量和坐标变化已经计算到一般磁几何中的$ε^2$阶。这里$ε$是回旋运动膨胀参数，即宏观尺度长度上的回旋半径。从这些结果出发，将回旋动力学Fokker-Planck方程和准中性方程的长波极限用于托卡马克几何。利用本文导出的方程组，可以计算分布函数和极向电场的长波长分量，达到$ε^2$阶。这些高阶部分包含了新古典和湍流的贡献，并构成了一个必要的成分（另一个是由短波长的组件，直到二阶），最终将进入一个完整的模型在低流量的托卡马克中的径向传输的环形角动量。最后，我们提供了一个明确的和详细的证明，系统组成的二阶回旋福克-普朗克和准中性方程留下的长波径向电场的不确定性，即湍流托卡马克是固有的双极。
2014-07-23 physics.plasm-ph
Gyrokinetic turbulent transport simulations on steady burning condition in D-T-He plasmas
National Institute for Fusion Science, National Institutes of Natural Sciences（国立研究开发法人 国立科学研究所 核聚变科学研究所）；The Graduate University for Advanced Studies（高等研究院）；PRESTO, Japan Science and Technology Agency（日本科学技术振兴机构 PRESTO项目）；Graduate School of Engineering, Kyoto University（京都大学 工学研究科）
本文通过反磁动力学-Vlasov模拟研究了D-T-He等离子体中由ITG和TEM驱动的湍流输运，揭示了稳态燃烧条件下粒子流的不平衡现象，并首次识别了满足Reiter条件的剖面状态。
2026-02-26 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
Sources of intrinsic rotation in the low flow ordering
本文提出了一种低流量、$δf$陀螺动力学公式来获得内禀旋转剖面。在低流量排序的动量守恒方程包含新的条款，忽略了在以前的第一性原理配方，可以解释在托卡马克中观察到的内在旋转的情况下，外部源的动量。内禀旋转分布取决于密度和温度分布以及上下不对称性。
2012-03-22 physics.plasm-ph
Energy balance for 6D kinetic ions with adiabatic electrons
本文针对6D动理学Vlasov系统提出一种基于矩直接计算能量通量、粒子通量和Poynting通量的新方法，可减少回旋振荡并识别回旋动理学与非回旋动理学贡献，同时开发了能模拟超过回旋频率的等离子体波和湍流的高效半拉格朗日求解器。
2024-11-19 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
The role of fast ions in stabilising the ion temperature gradient mode
由小尺度不稳定性驱动的湍流导致大量的热量和粒子传输，并且是当前聚变装置的主要限制因素。在临界值以上，离子温度梯度导致微观不稳定性的增长--离子温度梯度模式--这通常主导离子能量传输。最近发现，由辅助加热产生的高能离子可以减少这种不稳定性的增长。通过应用gyrokinetic形式主义和使用本地连续gyrokinetic代码GS 2进行线性模拟，我们探索这种稳定效果的线性物理。为了隔离的重要影响，由于快速离子的存在下，我们利用GS 2的灵活性，改变等离子体和磁的几何参数独立。我们评估的可能性忽略磁几何形状的变化，以简化分析，通过调查其贡献的稳定效果。对于研究的情况下，我们发现，Shafranov转移和安全系数的配置文件可能要考虑。对于固定的快离子密度和温度的不稳定的影响，他们的密度梯度被发现，而高的快离子温度梯度是稳定的，无论是由理论模型预测。所观察到的稳定化的大部分来自于对等离子体$β$的快离子贡献。此外，由于快离子的大密度和温度梯度，$β$的效果增强。我们调查的热离子的质量和电荷的作用，以评估不同类型的热离子的稳定。还考虑了调整电子和离子分布的可能性，以考虑快速离子的存在，而不包括它们作为一个动力学物种。最后，准线性理论被调用的非线性热通量的饱和值连接的线性结果。
2017-12-10 physics.plasm-ph
Nonlinear stabilization of tokamak microturbulence by fast ions
在特定的制度中发现的超热压力梯度的非线性电磁稳定被证明是一个关键因素，在减少托卡马克微湍流，增强显着的热压力电磁稳定。基于Mantica等人[Phys. Rev. Lett. 107 135004（2011）]，该结果解释了实验观察到的离子热通量和刚度降低。这些发现有望改善先进托卡马克方案的反应堆相关制度的外推。
2013-06-26 physics.plasm-ph
Gyrokinetic treatment of a grazing angle magnetic field
我们开发了一个回旋治疗离子在磁预鞘，靠近等离子体壁边界。我们重点关注具有小磁场与壁角$α\ll 1$（弧度）的磁性预护套。垂直于壁的特征长度，在这样的磁预鞘尺度与典型的离子拉莫尔轨道大小，$ρ_{\text{i}}$。与平行于壁的变化相关联的最小标度长度被取为穿过磁场，并且被排序为$l = ρ_{\text{i}} / δ$，其中假定为$ δ\ll 1$。假设沿磁场线的刻度长度很长，因此忽略了与该方向相关的变化。这些排序与我们在托卡马克偏滤器靶附近的预期一致。我们允许电场$\vec{E}$在垂直于电子排斥壁的方向上的强分量，在相同方向上具有强变化。电场在离子拉莫尔半径上的巨大变化使轨道扭曲，使其不是圆形的。我们解决了最低阶轨道通过识别坐标，其中包括积分常数，绝热不变量和陀螺相位，与周期性离子运动的系统与$α= δ= 0$。在极限$α\sim δ\ll 1$中，以这些新坐标为变量，得到了广义离子回旋动力学方程。我们发现另一个量，是保守的一阶，并使用此来简化的gyrokinetic方程，解决它的情况下，一个碰撞磁预鞘。假设玻尔兹曼响应的电子，一种形式的准中性方程，利用变量的变化而得。在给定入口边界条件的情况下，回旋运动方程和准中性方程给出了磁预鞘中离子的分布函数和静电势。
2017-01-16 physics.plasm-ph
Quasilinear particle transport from gyrokinetic instabilities in general magnetic geometry
在静电和无碰撞近似下，保持磁场的几何形状为任意的，计算了由回旋运动不稳定性引起的准线性粒子通量。特别地，电子和重杂质离子的通量研究的限制，前者移动得很快，后者缓慢，沿场相比，模式频率。得出的结论是如何这些物种的粒子通量取决于磁场的几何形状，模式结构和频率的不稳定性。在某些条件下，例如处处有利或不利的磁曲率和适度的温度梯度，有可能对磁通量作出一般性的陈述，而与不稳定性的细节无关。对于大多数粒子来说，在具有良好的反弹平均曲率的准等动力仿星器中，如果温度梯度不是太大，粒子通量总是向外的，这表明可能很难用从壁面喷出的气体为这种设备提供燃料。在具有主要不利的磁曲率的设备中，粒子通量可以向内，导致等离子体中心的自发密度峰值。在高电荷杂质的限制下，普通扩散（与密度梯度成比例）在其他传输通道上占主导地位，扩散系数变得与质量和电荷无关。由离子温度梯度不稳定性引起的磁场波动所造成的运输水平的估计也给出，并示出是小的静电分量相比。
2018-05-25 physics.plasm-ph
Geometrical Formulation of Hybrid Kinetic and Gyrokinetic Hamiltonian Field Theory for Astrophysical and Laboratory Plasmas
在目前的工作中，一致的拉格朗日模型，封装完全动力学离子和回旋电子的太阳风电磁湍流制定。使用一致的方法，其中电子和质子都被视为具有相同的数学形式主义，我们推导并实现了一个模型，其中高频波和动力学电子的影响被描述在一个计算成本效益的方式。为此，高阶李变换微扰法应用于哈密顿制定的指导中心运动，以描述粒子和场的动力学。此外，使用的哈密顿制定允许我们引入一个阿贝尔和规范不变的电磁场论封闭的系统。
2023-02-10 astro-ph.SR math.SG physics.plasm-ph
Electric field induced by radial redistribution of the energetic ion pressure in a fusion plasma
University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）；Chinese Academy of Sciences（中国科学院）
研究发现高能离子压力的径向分布可诱导显著电场，有助于改善聚变反应堆核心等离子体约束。
2026-01-21 physics.plasm-ph
Plasma-neutral collision operators for hydrogen isotopes: kinetic and gyrokinetic descriptions, comparison to fluid
CEA, IRFM（法国原子能委员会，聚变研究和技术研究所）；Aix-Marseille Univ., CNRS, PIIM（艾克斯-马赛大学，法国国家科学研究中心，等离子体物理研究所）
该研究推导了氢等离子体与氢原子相互作用的动理学和 gyrokinetic 等离子体-中性粒子碰撞算子，发现其与流体模型存在显著差异，凸显了动理学效应在边缘等离子体动量能量交换中的重要性。
2026-10-14 physics.plasm-ph
A Hybrid Gyrokinetic Ion and Isothermal Electron Fluid Code for Astrophysical Plasma
本文描述了一个新的模拟天体物理等离子体的程序，它解决了由回旋离子（GKI）和等温电子流体（ITEF）组成的混合模型[A。Schekochihin等人，占星术。J. Suppl. \textbf{182}，310（2009）]。该模型捕捉离子动力学效应，是重要的离子回旋半径尺度附近，而电子动力学效应是由电子离子质量比膨胀订购。该代码是通过将ITEF近似合并到{ \tt AstroGK}中来开发的，{ \tt AstroGK}是专门针对平板几何的欧拉$δf$陀螺动力学代码[R. Numata等人，J.计算。报酬。\textbf{229}，9347（2010）]。新的代码处理的ITEF方程中的线性项隐式，而非线性项显式处理。我们展示了线性和非线性基准测试，以证明模拟代码的有效性和适用性。由于快速电子时标被质量比膨胀消除，柯朗-弗里德里希-路易条件的限制比完全陀螺动力学代码少得多;本混合代码运行速度比{ \tt AstroGK}\快$\sim 2\sqrt{m_\mathrm{i}/m_\mathrm{e}} \sim 100$倍，其中$m_\mathrm{i}/m_\mathrm{e}$是离子-电子质量比。的计算时间的改善，使得它能够执行离子尺度的gyrokinetic模拟与高速度的空间分辨率，并运行多个模拟，以确定依赖的湍流动力学参数，如电子-离子温度比和等离子体β。
2018-02-02 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Gyrokinetic theory for particle transport in fusion plasmas
为了使核聚变成为一种可靠的能源，在磁约束实验中预测热核等离子体的动力学是基本的。发展一套描述等离子体在给定时间尺度上演化的方程是达到这一目标的主要要求。有限的工作是以自洽的方式研究碰撞输运和涨落诱导输运。这项工作的动机源于所采用的描述的自洽性的根本重要性，以了解运输过程的能量约束（运输）的时间尺度，因为碰撞和湍流之间的相互作用。反过来，这对于预测粒子和能量的通量以及最终的整体等离子体演化至关重要。利用通量坐标和漂移序，我们导出了一组粒子数和能量密度在输运时间尺度上的演化方程。这些方程显示了碰撞和波动之间的相互作用，特别是，表明波动可以增强碰撞输运，而碰撞可以阻尼由饱和不稳定性形成的长寿命结构，即带状结构。用回旋运动场论描述了涨落诱导通量，并与相空间带状结构理论进行了比较，揭示了输运方程中的涨落诱导部分可以通过对控制相空间带状结构演化的方程的长尺度极限取适当的矩来得到。最后，我们表明，等离子体的非线性演化可以产生的结构的形成，其特征在于由中尺度，中间的典型的等离子体湍流和参考等离子体平衡。
2017-01-09 physics.plasm-ph
Gyrokinetic theory of magnetic structures in high-beta plasmas of the Earths magnetopause and of the slow solar wind
利用包含有限Larmor半径效应的回旋动力学描述，研究了由电场和磁镜力共同作用捕获共振粒子的非线性效应.一个一般的非线性解决方案，发现支持的非线性所产生的共振粒子，捕获的平行电场和磁镜力的联合行动。应用这些结果的空间等离子体的条件下，我们表明，在磁鞘等离子体中，相干非线性磁抑郁可能会产生与非线性镜模式和支持的人口的陷阱离子形成一个驼峰的分布函数。这些物体可能是孤立的，也可能是由弱相关结构组成的训练（椭圆余弦波）。在太阳风和地球磁层顶中，电子和离子温度各向异性，具有相同的数量级，我们发现了相同形式的相干磁洞，这是由于两个分支的非线性磁声模式，电子镜和场膨胀模式，也包括动力学Alfven模式，并支持的人口的捕获电子。局部磁孔可以具有平行于磁场并沿其强烈伸长的移动倾斜板或椭圆体的形式，其沿磁场传播并可以通过等离子体流在垂直方向上对流。虽然离子镜结构是纯压缩磁性的，具有可忽略的磁扭转和电场，磁声和动力学Alfven结构具有有限的静电势、磁压缩和磁扭转，但垂直和平行磁场的比率仍然很小。
2017-05-08 physics.plasm-ph
Energy exchange between electrons and ions driven by ITG-TEM turbulence
Graduate School of Frontier Science, The University of Tokyo（东京大学前沿科学研究生院）；National Institute for Fusion Science（日本核聚变科学研究所）；Department of Physics, Nagoya University（名古屋大学物理学系）
本文研究了ITG-TEM湍流中电子与离子能量交换机制，揭示了能量转移方向与熵平衡的关系，并提出了一种新的能量交换分析方法。
2025-12-17 physics.plasm-ph
Gyrokinetic and kinetic particle-in-cell simulations of guide-field reconnection. I: Macroscopic effects of the electron flows
在这项工作中，我们比较了在强引导场的限制下，磁重联的回旋动力学（GK）和完全动力学的粒子模拟（PIC）。特别是，我们分析了GK等离子体模型的适用性的限制相比，一个完全动力学描述的力自由电流片有限的引导字段（$b_g$）。在这里，我们报告的第一部分的扩展比较，侧重于电子流的宏观效应。对于一个低β等离子体（$β_i=0.01$），它表明，这两个等离子体模型开发磁重联与类似的功能，在二次磁岛，如果一个足够高的引导场（$b_g\gtrsim 30$）施加在动力学PIC模拟。在这些区域之外，在靠近X点的分界线中，两种等离子体描述之间的收敛限制较少（$b_g\gtrsim 5$）。使用引导场$b_g \lesssim 30$的动力学PIC模拟揭示了具有核心磁场的次级磁岛，并且与具有更强引导场的GK或动力学PIC运行相比，次级磁岛内部的能量更少。我们发现，这些过程主要是由于初始剪切流不存在的GK初始化和动力学PIC高引导场制度中可以忽略不计，除了快速流出的离子热速度的顺序，违反GK订购。由于次级磁岛出现在重联峰时间之后，因此动力学PIC/GK比较在磁重联的线性阶段更准确。对于重联率和波动水平降低的高β等离子体（$β_i=1.0$），在完全动力学描述中，类似的过程发生在次级磁岛中，但需要低得多的引导场（$b_g\lesssim 3$）。
2015-08-18 physics.plasm-ph
Geodesic extended modes in low magnetic shear tokamaks and stellarators
Princeton University（普林斯顿大学）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）
研究低磁旋度下托卡马克和星形箍缩中测地扩展模的物理机制，提出新的微不稳定性理论，结合非绝热电子和离子物理，通过多尺度展开推导gyrokinetic方程，验证于gyrokinetic模拟。
2026-09-29 physics.plasm-ph
Verification of Fast Ion Effects on Turbulence through Comparison of GENE and CGYRO with L-mode Plasmas in KSTAR
该研究利用 KSTAR L-mode 剖面交叉比较 GENE 与 CGYRO 的线性及非线性电磁模拟，验证快离子和旋转对湍流能量输运的影响，并指出相位角与低层级物理量验证的重要性。
2024-12-08 physics.plasm-ph
Energy exchange between electrons and ions in ion temperature gradient turbulence
本研究通过回旋动力学模拟揭示ITG湍流总是将能量由离子转移给电子，并验证准线性模型可预测该能量交换及粒子、热通量。
2024-06-17 physics.plasm-ph
Ion versus electron heating in compressively driven astrophysical gyrokinetic turbulence
利用非线性混合回旋动力学模拟方法研究了压缩驱动（但亚音速）无碰撞湍流中离子和电子之间不可逆加热的分配。我们推导出离子-电子加热比$Q_\rmi/Q_\rme$作为压缩-阿尔夫文驱动功率比$P_\compr/P_\AW$、离子热压力与磁压力之比$β_\rmi$以及离子-电子背景温度之比$T_\rmi/T_\rme$的函数的处方。证明了$Q_\rmi/Q_\rme$是$P_\compr/P_\AW$的增函数。当压缩驱动足够大时，$Q_\rmi/Q_\rme$接近$\simeq P_\compr/P_\AW$。这表明，在湍流与大的压缩波动，加热的分配是决定在注射尺度，而不是在动力学尺度。相空间谱的分析表明，从惯性范围的压缩波动，亚拉莫尔尺度动力学阿尔芬波的能量转移是不存在的低和高$β_\rmi$，这意味着压缩驱动直接连接到离子熵波动，这是转换成离子热能。这一结果表明，优先电子加热是一个非常特殊的情况下，需要低$β_\rmi$和没有，或弱，压缩驱动。我们的加热公式有广泛的应用，包括太阳风和热的吸积盘，如M87和Sgr A*。
2020-10-23 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
High-throughput full-f gyrokinetics of the tokamak boundary
Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）；General Atomics（通用原子能公司）
本文提出通过高通量全粒子gyrokinetic模拟研究托卡马克边界输运，展示数百个独立并发的模拟，分析稳态特性并揭示等离子体形状对约束的影响依赖于功率水平。
2026-10-14 nlin.CD physics.comp-ph physics.data-an
Fast-ion effects on $E\times B$ staircase organization and the heat-flux response to the ion-temperature gradient
Chung-Ang University（中央大学）
本研究通过KSTAR FIRE模式的全局回旋动力学模拟，发现快离子增强带状流与剪切层，使热通量随离子温度梯度增加而减小，偏离菲克定律，表明FIRE模式可能是一种分岔到新输运机制的现象。
2026-10-07 physics.plasm-ph
Impact of fast ions on turbulent transport in high-\b{eta} HL-2A scenarios
Shenzhen University（深圳大学）；Southwestern Institute of Physics（西南物理研究院）
研究揭示快离子通过稳定ITG模和影响TEMs，调控高ηHL-2A情景中湍流输运，为高性能等离子体输运机制提供新见解。
2025-12-27 physics.plasm-ph
Effects of Turbulent Energy Exchange between Electrons and Ions on Global Temperature Profiles
Graduate School of Frontier Science, The University of Tokyo（东京大学前沿科学研究生院）；National Institute for Fusion Science（国立研究开发法人核融合科学研究所）；Graduate School of Engineering, Kyoto University（京都大学工学研究科）
研究揭示了湍流能量交换在稳态条件下对全球温度剖面的微小影响，但在等离子体启动阶段可能显著增强离子加热。
2026-02-09 physics.plasm-ph
Ion and electron heating during magnetic reconnection in weakly collisional plasmas
通过回旋动力学模拟研究了强磁性、弱碰撞等离子体中离子和电子的磁重联和相关加热。它示出，相当数量的释放的磁能耗散产生（不可逆的）电子和离子加热通过相混合。电子加热主要局限于磁岛，而不是电流片，并发生在动力学重联阶段之后。离子加热仅在高β等离子体中与电子加热相当，并且由于有限的拉莫尔半径效应而导致平行相混合和垂直相混合;在空间中，离子加热局限于由电流片的不稳定性引起的次级岛（等离子体团）的内部。
2015-04-13 physics.plasm-ph
Extended electron tails in electrostatic microinstabilities and the nonadiabatic response of passing electrons
离子回旋半径尺度的微不稳定性通常具有与离子渡越频率相当的频率。由于小的电子-离子质量比和大的电子渡越频率，传统上认为通过的电子在离子回旋半径尺度模式下响应。然而，在回旋动力学模拟离子回旋半径尺度模式在轴对称环形磁场，通过电子的非绝热响应可以驱动模式，并产生波动与狭窄的径向层，这可能会产生后果的湍流运输在各种情况下。在通量管模拟中，在气球表示中，这些不稳定性显示为具有扩展尾部的模式。小的电子-离子质量比限制的线性陀螺动力学的静电不稳定性，在轴对称环形磁几何形状，包括通过电子和相关的窄径向层的非绝热响应。该理论揭示了仅由非绝热通过电子响应驱动的离子回旋半径尺度模式的存在，并恢复了由离子和捕获电子的响应驱动的通常的离子回旋半径尺度模式，其中通过电子的非绝热响应很小。碰撞和碰撞限制的理论被认为是在结构和物理过程中的新古典运输理论，表现出相似之处。通过研究增长最快的本征模的初始值模拟，质量比缩放的预测进行了测试和验证数值碰撞频率的范围。从小的电子-离子质量比理论的见解可能会导致一个计算有效的治疗扩展模式。
2022-01-26 physics.plasm-ph
Fast electrostatic microinstability evaluation in arbitrary toroidal magnetic geometry using a variational approach
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；Dutch Institute for Fundamental Energy Research（荷兰基础能源研究所）；Ruhr-Universität Bochum（波鸿鲁尔大学）
本文提出了一种基于变分方法的半解析色散关系，用于在任意托卡马克磁几何中快速评估离子温度梯度和被俘电子模的静电微不稳定性。
2025-12-05 physics.plasm-ph
Constraints on ion vs. electron heating by plasma turbulence at low beta
它表明，在低β，弱碰撞等离子体，如太阳日冕，太阳风的某些情况下，极光，吸积盘的内部区域，它们的日冕，和一些实验室等离子体，阿尔夫文波动产生没有离子加热内的回旋近似，即，只要它们的振幅（在拉莫尔标度下）小并且它们的频率保持低于离子拉莫尔频率（即使它们的空间标度可以高于或低于离子拉莫尔标度）。因此，在这样的等离子体中的所有低频离子加热是由于压缩波动（“慢模式”）。由于这些涨落在能量上与已经在惯性范围内的阿尔夫文涨落解耦，上述结论意味着低β等离子体中离子和电子之间的能量分配是在湍流发生的外尺度上决定的，并且可以从相关天体物理系统的磁流体动力学（MHD）模型中确定。任何额外的离子加热必须来自非回旋机制，如回旋加热或随机加热由于离子的拉莫尔轨道的扭曲。这些结论的一个例外发生在霍尔极限，即，当离子与电子温度的比率与离子β一样低时（等效地，电子β是阶单位）。在这种情况下，慢模与远高于拉莫尔标度的阿尔夫维尼亚模耦合（即，在离子惯性或离子声尺度下），因此阿尔文级联和压缩级联结合，然后再次分离成两个波动级联，线性地类似于动力阿尔文波和离子回旋波，前者加热电子，后者加热离子。这两个级联示出去耦，缩放为他们的派生，它是物理上认为，这两个物种将被加热，他们以近似相等的速率。
2019-04-10 astro-ph.HE astro-ph.SR nlin.CD
Thermal disequilibration of ions and electrons by collisionless plasma turbulence
在弱碰撞、磁化、湍流等离子体中，离子和电子之间是否存在总体热平衡？如果不存在，热能如何在离子和电子之间分配？这是等离子体物理学中的一个基本问题，这个问题的答案对于预测遥远天体的性质也至关重要，比如黑洞周围的吸积盘。在光盘的背景下，这个问题是提出了近二十年前，并已产生了相当大的文献。在这里，我们提供了答案的情况下，能量注入等离子体通过Alfvénic湍流：碰撞湍流加热通常作用于不平衡的离子和电子的温度。使用混合流体陀螺动力学模型的数值模拟表明，离子-电子加热速率比是热-磁能量比的递增函数，$β_\mathrm{i}$：它的范围从$\sim0.05$在$β_\mathrm{i}=0.1$至少$30$为$β_\mathrm{i} \gtrsim 10$。这种能量分配对离子-电子温度比$T_\mathrm{i}/T_\mathrm{e}$近似不敏感。因此，在没有其他平衡机制的情况下，通过阿尔夫维尼克湍流加热的无碰撞等离子体系统将趋向于非平衡状态，其中一种物质明显比另一种更热，即，在高$β_\mathrm{i}$下较热的离子，在低$β_\mathrm{i}$下较热的电子。电磁场的光谱和5D相空间中的离子分布函数在高$β_i$下表现出有趣的新的磁主导区域，并且当$β_\mathrm{i}\lesssim1$时，离子加热倾向于由非线性相位混合（“熵级联”）介导，当$β_\mathrm{i}\gg…
2019-01-15 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Kinetic intermittency in magnetized plasma turbulence
我们采用磁化等离子体湍流，描述的gyrokinetic形式主义在一个区间内，从年底的流体尺度的电子gyroradius，介绍动力学双折射的第一次研究，其中直接形成的非线性结构的分布函数进行分析，占线性（朗道共振）和非线性相位混合产生的速度空间相关性。电子结构被发现是强烈的间歇性和线性相位混合为主，而非线性相位混合占主导地位的弱间歇离子。这是第一次的空间磁不稳定性和线性相位混合被证明是自洽的电子，并作为磁场以下的磁不稳定性的电子在小尺度上，解释为什么磁岛的地方占主导地位的朗道阻尼在稳态湍流。
2016-12-08 physics.plasm-ph physics.space-ph
Reduced fluid-kinetic equations for low-frequency dynamics, magnetic reconnection and electron heating in low-beta plasmas
本文提出了一个低β等离子体中磁重联和低频动力学的极小模型。该模型结合了分析和计算的简单性与物理可实现性：它是一个严格的限制的陀螺动力学等离子体β的顺序的电子-离子的质量比。该模型包含碰撞，可用于碰撞和无碰撞重联制度。它包括回旋离子（不假设冷），并允许通过电阻率或电子惯性（无论哪个占主导地位）对磁场线进行拓扑重排。两个流体动力学耦合到电子动力学-电子不假定等温，并通过减少漂移动力学方程描述。因此，该模型允许的不可逆性和通过速度空间中的平行相混合的磁能转化为电子热。分析了各种形式的自由能之间的交换及其转化为电子热。它示出了如何所有相关的线性波和制度的撕裂不稳定性（无碰撞，半碰撞和完全电阻）恢复在我们的模型的各种限制。提出了一种有效的方法来模拟我们的方程数值，通过厄米表示的速度空间。结果表明，速度空间中的小尺度将形成，从而引起一个浅厄米空间谱，由此推断，对于稳态或足够慢的动力学，电子加热速率将保持有限的碰撞消失的限制。
2011-10-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
