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Nonlinear simulations of energetic particle-driven instabilities interacting with Alfvén continuum during frequency chirping

X Q Wang, H Wang, Y Todo, Y Xu, J L Wang, H F Liu, J Huang, X Zhang, H Liu, J Cheng2021年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

Toroidal Alfvén eigenmodes excited by energetic particles (EPs) and their transition to energetic particle modes are investigated using a three-dimensional nonlinear kinetic-magnetohydrodynamic hybrid simulation code. Both the symmetric chirping inside the Alfvén continuum gap for upward and downward directions and the asymmetric chirping affected by the Alfvén continuum are found in the simulations depending on the EP drive and the mode damping. For weak drive and damping, symmetric frequency chirping is observed with a chirping rate consistent with the Berk–Breizman theory (Berk et al 1997 Phys. Lett. A234 213). For moderate drive and damping, upward chirping is dominant because downward chirping is interrupted by interaction with the Alfvén continuum. For strong drive and damping, two branches of frequency chirping are found for different poloidal harmonics. The dominant chirping is downward into the Alfvén continuum and the other is an upward chirping inside the Alfvén continuum gap. The creation and the propagation of holes and clumps are found in EP phase space, which is qualitatively consistent with the Berk–Breizman theory.

日本語訳

トロイダルアルヴェン固有モードと、高エネルギー粒子(EP)によって励起され、高エネルギー粒子モードへの遷移を示す現象を、三次元非線形運動論的MHDハイブリッドシミュレーションコードを用いて調べた。シミュレーションでは、EP駆動とモード減衰に依存して、アルヴェン連続体ギャップ内での上向きおよび下向き方向の対称なチャープと、アルヴェン連続体の影響を受けた非対称なチャープの両方が見られた。弱い駆動と減衰の場合、Berk–Breizman理論(Berk et al 1997 Phys. Lett. A234 213)と一致するチャープ率を持つ対称な周波数チャープが観測された。中程度の駆動と減衰の場合、下向きチャープがアルヴェン連続体との相互作用によって中断されるため、上向きチャープが支配的となった。強い駆動と減衰の場合、異なるポロイダル高調波に対して二つの周波数チャープ分枝が見られた。支配的な分枝はアルヴェン連続体に向かって下向きにチャープし、もう一方はアルヴェン連続体ギャップ内で上向きにチャープした。EP位相空間におけるホールとクランプの生成と伝播が観測され、これはBerk–Breizman理論と定性的に一致する。

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Alfvén waveEnergetic particles
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