Energetic ions (EIs) are responsible for driving most meso-scale Alfvénic instabilities and can also couple with micro-scale turbulence and macro-scale magnetohydrodynamic modes driven by bulk plasmas. In this work, we demonstrate the extension of gyrokinetic EI capability for the multiscale analysis for plasma stabilities (MAS) code (Bao et al 2023 Nucl. Fusion63 076021) that treats bulk plasma instabilities of different spatio-temporal scales and polarizations on the same footing by a five-field Landau-fluid model, which then forms a comprehensive Landau-fluid–gyrokinetic hybrid model for analyzing the linear interactions between EIs and unstable/damped bulk plasma modes in a non-perturbative manner in general geometry. An efficient numerical scheme is proposed for evaluating EI moments in the MAS formulation that greatly decreases computational cost; this numerically integrates the EI distribution function in phase space with the adoption of well-circulating and deeply–trapped approximations for passing and trapped particle species, respectively, so that the effects of finite Larmor radius and finite orbit width (FOW) can be accurately retained for arbitrary-wavelength electromagnetic fluctuations together with dominant wave–particle resonances. In the long-wavelength limit, the EI moments in the MAS formulation can recover early theory on the response functions. These EI upgrades to the MAS code have been verified by simulating an EI-excited reverse shear Alfvén eigenmode (RSAE) based on a well-benchmarked DIII-D equilibrium case, which exhibits good agreement with other codes for the mode structure and dispersion relation, and FOW stabilization on the RSAE is found to be important in the regime of (where ρd is the magnetic drift orbit size).
高エネルギーイオン（EI）は、ほとんどのメソスケールのアルヴェーン不安定性を駆動する原因であり、またバルクプラズマによって駆動されるマイクロスケールの乱流やマクロスケールの電磁流体力学（MHD）モードと結合し得る。本研究では、異なる時空間スケールと偏極を持つバルクプラズマ不安定性を5場ランダウ流体モデルによって同等に扱う、プラズマ安定性のマルチスケール解析（MAS）コード（Bao et al 2023 Nucl. Fusion63 076021）に対するジャイロ運動論的EI機能の拡張を示す。これにより、一般形状において、EIと不安定/減衰するバルクプラズマモードとの間の線形相互作用を非摂動的な方法で解析するための、包括的なランダウ流体–ジャイロ運動論的ハイブリッドモデルが構成される。MAS定式化におけるEIモーメントを評価するための効率的な数値スキームが提案され、計算コストを大幅に削減する。このスキームは、通過粒子種と捕捉粒子種に対してそれぞれ良循環近似と深捕捉近似を採用してEI分布関数を位相空間で数値積分し、任意波長の電磁揺動に対して、有限ラーモア半径と有限軌道幅（FOW）の効果を支配的な波動–粒子共鳴とともに正確に保持できるようにする。長波長極限では、MAS定式化におけるEIモーメントは、応答関数に関する初期の理論を再現できる。MASコードへのこれらのEI拡張は、十分にベンチマークされたDIII-D平衡ケースに基づいて、EIによって励起された逆シア・アルヴェーン固有モード（RSAE）をシミュレーションすることによって検証され、モード構造と分散関係について他のコードと良く一致することが示された。また、RSAEに対するFOW効果は、 の領域（ここでρdは磁気ドリフト軌道サイズである）において重要であることが見出された。