A comprehensive numerical study has been conducted in order to investigate the stability of beam-driven, sub-cyclotron-frequency compressional Alfvén eigenmodes (CAEs) and global Alfvén eigenmodes (GAEs) in low-aspect-ratio plasmas for a wide range of beam parameters. The presence of CAEs and GAEs has previously been linked to anomalous electron temperature profile flattening at high beam powers in NSTX experiments, prompting a further examination of the conditions necessary for their excitation. Linear simulations have been performed with the hybrid MHD–kinetic initial value code HYM in order to capture the general Doppler-shifted cyclotron resonance that drives the modes. Three distinct types of modes were found in the simulations—co-CAEs, cntr-GAEs, and co-GAEs—with differing spectral and stability properties. The simulations revealed that unstable GAEs are more ubiquitous than unstable CAEs, which is consistent with experimental observations, as they are excited at lower beam energies and generally have larger growth rates. Local analytic theory is used to explain key features of the simulation results, including the preferential excitation of different modes based on beam injection geometry and the growth rate dependence on the beam injection velocity, critical velocity, and degree of velocity space anisotropy. The background damping rate is inferred from the simulations and analytically estimated for relevant sources absent from the simulation model, indicating that co-CAEs are closer to marginal stability than modes driven by the cyclotron resonances.
低アスペクト比プラズマにおけるビーム駆動・サブサイクロトロン周波数圧縮性アルヴェーン固有モード(CAE)および大域的アルヴェーン固有モード(GAE)の安定性を調査するため、広範囲のビームパラメータにわたる包括的数値研究を実施した。CAEとGAEの存在は、これまでNSTX実験における高ビーム出力時の異常電子温度分布平坦化と関連付けられており、それらの励起に必要な条件のさらなる検討が促されている。モードを駆動する一般的なドップラー偏移サイクロトロン共鳴を捉えるため、ハイブリッドMHD–運動論的初期値コードHYMを用いた線形シミュレーションを実施した。シミュレーションでは、co-CAE、cntr-GAE、co-GAEの3つの異なるタイプのモードが、異なるスペクトル特性と安定性特性とともに見いだされた。シミュレーションにより、不安定なGAEは不安定なCAEよりも広く存在することが明らかになり、これはGAEがより低いビームエネルギーで励起され、一般に大きな成長速度を持つことから、実験観測と一致する。局所解析理論は、ビーム入射幾何学に基づく異なるモードの優先的励起や、ビーム入射速度、臨界速度、速度空間異方性の程度への成長速度の依存性など、シミュレーション結果の重要な特徴を説明するために用いられる。背景減衰率は、シミュレーションから推定されるとともに、シミュレーションモデルに含まれない関連ソースについて解析的に推定され、co-CAEがサイクロトロン共鳴によって駆動されるモードよりも臨界安定性に近いことを示している。