We present particle-in-cell (PIC) simulations of minority energetic protons in deuterium plasmas, which demonstrate a collective instability responsible for emission near the lower hybrid frequency and its harmonics. The simulations capture the lower hybrid drift instability in a parameter regime motivated by tokamak fusion plasma conditions, and show further that the excited electromagnetic fields collectively and collisionlessly couple free energy from the protons to directed electron motion. This results in an asymmetric tail antiparallel to the magnetic field. We focus on obliquely propagating modes excited by energetic ions, whose ring-beam distribution is motivated by population inversions related to ion cyclotron emission, in a background plasma with a temperature similar to that of the core of a large tokamak plasma. A fully self-consistent electromagnetic relativistic PIC code representing all vector field quantities and particle velocities in three dimensions as functions of a single spatial dimension is used to model this situation, by evolving the initial antiparallel travelling ring-beam distribution of 3 MeV protons in a background 10 keV Maxwellian deuterium plasma with realistic ion–electron mass ratio. These simulations provide a proof-of-principle for a key plasma physics process that may be exploited in future alpha channelling scenarios for magnetically confined burning plasmas.
我々は、重水素プラズマ中の少数の高エネルギー陽子に関する粒子インセル（PIC）シミュレーションを提示する。このシミュレーションは、低ハイブリッド周波数およびその高調波付近での放射の原因となる集団的不安定性を実証するものである。本シミュレーションは、トカマク核融合プラズマの条件に動機づけられたパラメータ領域における低ハイブリッドドリフト不安定性を捕捉し、さらに、励起された電磁場が陽子から電子の方向性運動へ自由エネルギーを集団的かつ無衝突的に結合することを示す。これにより、磁場に反平行な非対称なテールが生じる。我々は、大型トカマク核融合プラズマのコアの温度に類似した背景プラズマ中において、イオンサイクロトロン放射に関連する粒子数反転に動機づけられたリングビーム分布を持つ高エネルギーイオンによって励起される斜め伝播モードに焦点を当てる。すべてのベクトル場量と粒子速度を3次元で表現しつつ、単一の空間次元の関数として扱う完全自己無撞着な電磁気的相対論的PICコードを用いて、現実的なイオン-電子質量比を持つ10 keVのマクスウェル分布重水素背景プラズマ中での3 MeV陽子の初期反平行伝播リングビーム分布の時間発展をモデル化する。これらのシミュレーションは、磁気閉じ込め燃焼プラズマにおける将来のアルファ粒子チャネリングシナリオで利用され得る重要なプラズマ物理過程の原理実証を提供するものである。