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Quasi-separatrix layer reconnection for nonlinear line-tied collisionless tearing modes

J M Finn, Z Billey, W Daughton, E Zweibel2014年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

Quasi-separatrix layer (QSL) diagnostics are used to diagnose nonlinear line-tied tearing modes using particle-in-cell code simulation results. For a force-free current sheet, nonlinear tearing mode cases are shown over a wide range of plasma lengths with line-tying boundary conditions at the ends of the plasma. The methods used for performing the field line integrations with noisy PIC data are described. The QSL diagnostics used are the squashing degree Q (Priest and Demoulin 1995J. Geophys. Res.100 23443) and the ideal magnetohydrodynamic (MHD) scalar potential φi of Richardson and Finn (2012 Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul.17 2132). We also introduce the non-ideal scalar potential φn, the analog of the resistive MHD scalar potential φr of Richardson and Finn (2012). These QSL diagnostics are compared with the helical flux contours of the primary modes. They are used in the late linear regime and near mode saturation. For non-overlapping islands, these diagnostics show the QSL associated with the X-lines and their separatrices. These are shown to indicate well field line behavior such as chaotic scattering and separatrix crossing. For overlapping islands, they indicate chaotic scattering behavior either related to Chirikov overlap (Chirikov 1979 Phys. Rep.52 263) or to separatrix crossing (Tennyson et al 1986 Phys. Rev. Lett.56 2117).

日本語訳

準セパラトリクス層(QSL)診断を用いて、粒子インセル(PIC)シミュレーション結果に基づく非線形ラインティアドモードを診断する。フォースフリー電流シートに対して、プラズマ端部におけるラインティング境界条件のもとで、広範囲のプラズマ長にわたる非線形テアリングモードの事例を示す。ノイズを含むデータに対する磁力線積分を実行する手法について述べる。用いたQSL診断は、スカッシング度Q(Priest and Demoulin 1995, J. Geophys. Res. 100, 23443)およびRichardson and Finn(2012, Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul. 17, 2132)による理想磁気流体力学(MHD)スカラーポテンシャルφである。また、Richardson and Finn(2012)の抵抗性MHDスカラーポテンシャルφrの類似量である非理想スカラーポテンシャルφnも導入する。これらのQSL診断を、主要モードのヘリカルフラックス等高線と比較する。これらは後期線形成長期およびモード飽和近傍で用いられる。非重複アイランドの場合、これらの診断はX線およびそのセパラトリクスに関連するQSLを示す。これらは、カオス的散乱やセパラトリクス交差などの磁力線挙動を良好に示すことが実証されている。重複アイランドの場合、それらはチリコフオーバーラップ(Chirikov 1979, Phys. Rep. 52, 263)またはセパラトリクス交差(Tennyson et al. 1986, Phys. Rev. Lett. 56, 2117)のいずれかに関連するカオス的散乱挙動を示す。

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Tearing modeMagnetic reconnection
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