Ion-gyroradius-scale microinstabilities typically have a frequency comparable to the ion transit frequency. Due to the small electron-to-ion mass ratio and the large electron transit frequency, it is conventionally assumed that passing electrons respond adiabatically in ion-gyroradius-scale modes. However, in gyrokinetic simulations of ion-gyroradius-scale modes in axisymmetric toroidal magnetic fields, the nonadiabatic response of passing electrons can drive the mode, and generate fluctuations in narrow radial layers, which may have consequences for turbulent transport in a variety of circumstances. In flux tube simulations, in the ballooning representation, these instabilities reveal themselves as modes with extended tails. The small electron-to-ion mass ratio limit of linear gyrokinetics for electrostatic instabilities is presented, in axisymmetric toroidal magnetic geometry, including the nonadiabatic response of passing electrons and associated narrow radial layers. This theory reveals the existence of ion-gyroradius-scale modes driven solely by the nonadiabatic passing electron response, and recovers the usual ion-gyroradius-scale modes driven by the response of ions and trapped electrons, where the nonadiabatic response of passing electrons is small. The collisionless and collisional limits of the theory are considered, demonstrating parallels in structure and physical processes to neoclassical transport theory. By examining initial-value simulations of the fastest-growing eigenmodes, the predictions for mass-ratio scaling are tested and verified numerically for a range of collision frequencies. Insight from the small electron-to-ion mass ratio theory may lead to a computationally efficient treatment of extended modes.
イオンジャイロ半径スケールの微視的不安定性は、典型的にはイオン通過周波数に匹敵する周波数を有する。電子とイオンの質量比が小さいことと電子通過周波数が大きいことから、イオンジャイロ半径スケールのモードにおいて通過電子は断熱的に応答すると従来仮定されている。しかしながら、軸対称トロイダル磁場中のイオンジャイロ半径スケールのモードのジャイロ運動論的シミュレーションにおいて、通過電子の非断熱応答がモードを駆動し得、狭い半径方向層内に変動を生成し、これが様々な状況下での乱流輸送に影響を及ぼし得る。フラックスチューブシミュレーションでは、バルーニング表現において、これらの不安定性は拡張されたテールを有するモードとして現れる。静電不安定性に対する線形ジャイロ運動論の小さい電子-イオン質量比極限が、軸対称トロイダル磁場幾何学において、通過電子の非断熱応答とそれに伴う狭い半径方向層を含めて提示される。この理論は、通過電子の非断熱応答のみによって駆動されるイオンジャイロ半径スケールのモードの存在を明らかにし、また通過電子の非断熱応答が小さい場合の、イオンと捕捉電子の応答によって駆動される通常のイオンジャイロ半径スケールのモードを再現する。この理論の無衝突極限と衝突極限が考察され、新古典輸送理論との構造的および物理的プロセスの類似性が示される。最も速く成長する固有モードの初期値シミュレーションを調べることにより、質量比スケーリングに関する予測が、様々な衝突周波数の範囲にわたって数値的に検証される。小さい電子-イオン質量比理論からの知見は、拡張モードの計算効率の高い処理につながる可能性がある。