Gyro-average is a crucial operation to capturing the essential finite Larmor radius (FLR) effect in gyrokinetic simulation. In order to simulate strongly shaped plasmas, an innovative multi-point average method based on non-orthogonal coordinates has been developed to improve the accuracy of the original multi-point average method in gyrokinetic particle simulation. This new gyro-average method has been implemented in the gyrokinetic toroidal code (GTC). Benchmarks have been carried out to prove the accuracy of this new method. In the limit of concircular tokamak, ion temperature gradient (ITG) instability is accurately recovered for this new method and consistency is achieved. The new gyro-average method is also used to solve the gyrokinetic Poisson equation, and its correctness is confirmed in the long-wavelength limit for realistically shaped plasmas. The improved GTC code with the new gyro-average method is used to investigate the ITG instability with EAST magnetic geometry. The simulation results show that the correction induced by this new method in the linear growth rate is more significant for short-wavelength modes where the FLR effect becomes important. Due to its simplicity and accuracy, this new gyro-average method can find broader applications in simulating shaped plasmas in realistic tokamaks.
ジャイロ平均は、ジャイロ運動論的シミュレーションにおいて本質的な有限ラーマー半径効果を捉えるための重要な操作である。強く変形したプラズマをシミュレーションするために、ジャイロ運動論的粒子シミュレーションにおける元の多点ジャイロ平均法の精度を向上させる、非直交座標に基づく革新的な多点平均法が開発された。この新しいジャイロ平均法は、ジャイロ運動論的トロイダルコード（GTC）に実装された。この新しい手法の精度を検証するためにベンチマークテストが実施された。同心円トカマクの極限において、イオン温度勾配（ITG）不安定性はこの新しい手法によって正確に再現され、整合性が確認された。この新しいジャイロ平均法はまた、ジャイロ運動論的ポアソン方程式を解くためにも用いられ、現実的な形状のプラズマにおける長波長極限での正確性が確認された。改良されたGTCコードは、この新しいジャイロ平均法を用いてEAST磁場配位におけるITG不安定性の調査に適用された。シミュレーション結果は、この新しい手法による補正が、有限ラーマー半径効果が重要となる短波長モードにおいて線形成長率により顕著な影響を与えることを示している。その簡便性と精度により、この新しいジャイロ平均法は、現実的なトカマクにおける変形プラズマのシミュレーションに広く応用できる可能性を有している。