In this work, we explore both the potential improvements and pitfalls that arise when using advanced collision models in gyrokinetic simulations of plasma microinstabilities. Comparisons are made between the simple-but-standard electron Lorentz operator and specific variations of the advanced Sugama operator. The Sugama operator describes multi-species collisions including energy diffusion, momentum and energy conservation terms, and is valid for arbitrary wavelength. We report scans over collision frequency for both low and high modes, with relevance for multiscale simulations that couple ion and electron scale physics. The influence of the ion–ion collision terms—not retained in the electron Lorentz model—on the damping of zonal flows is also explored. Collision frequency scans for linear and nonlinear simulations of ion-temperature-gradient instabilities including impurity ions are presented. Finally, implications for modeling turbulence in the highly collisional edge are discussed.
本稿では、プラズマ微視的不安定性のジャイロ運動論的シミュレーションにおいて、高度な衝突モデルを用いる際の潜在的な改善点と落とし穴の両方を調査する。単純だが標準的な電子ローレンツ衝突項と、高度な菅（Sugama）衝突項の特定の変種との比較を行う。菅衝突項は、運動量拡散、運動量およびエネルギー保存項を含む多種衝突を記述し、任意の波長に対して有効である。我々は、イオンおよび電子スケールの物理を結合するマルチスケールシミュレーションに関連する、低周波および高周波の両モードについて衝突周波数の走査結果を報告する。電子ローレンツモデルには含まれないイオン–イオン衝突項が帯状流の減衰に及ぼす影響も調査する。さらに、不純物イオンを含むイオン温度勾配不安定性の線形および非線形シミュレーションにおける衝突周波数走査の結果を示す。最後に、高衝突性の周辺部における乱流のモデリングへの示唆について議論する。