Turbulent transport greatly impacts the performance of stellarator magnetic confinement devices. While significant progress has been made on the numerical front, theoretical understanding of turbulence in stellarators is still lacking. In particular, due to nonaxisymmetry, different field lines couple within flux surfaces, the effects from which have yet to be adequately studied. In this work, we numerically simulate the linear electrostatic ion-temperature-gradient modes in stellarators using the global gyrokinetic particle-in-cell code GTC. We find that the linear eigenmode structures are nonuniform across field lines on flux surfaces and are localized at the downstream of the ion diamagnetic drift. Based on a simple model from Zocco et al (2016 Phys. Plasmas23 082516) and (2020 Phys. Plasmas27 022507), we show that the localization can be explained from the nonzero imaginary part of the binormal wavenumber. We further demonstrate that a localized surface-global eigenmode can be constructed from local gyrokinetic codes stella and GX, only if we first solve the local dispersion relation with real wavenumbers on each field line, and then do an analytic continuation to the complex-wavenumber plane. These results suggest that the complex-wavenumber spectra from surface-global effects are required to understand the linear drift-wave eigenmode structures in stellarators.
乱流輸送は、ステラレーター磁場閉じ込め装置の性能に大きな影響を与える。数値計算の面では大きな進歩があった一方で、ステラレーターにおける乱流の理論的理解は依然として不足している。特に、非軸対称性のため、磁気面内で異なる磁力線が結合するが、その影響はまだ十分に研究されていない。本研究では、グローバルジャイロ運動論的粒子インセルコードGTCを用いて、ステラレーターにおける線形静電イオン温度勾配モードを数値的にシミュレートする。線形固有モード構造は、磁気面上の磁力線間で非一様であり、イオン反磁性ドリフトの下流に局在していることが分かった。Zoccoら (2016 Phys. Plasmas23 082516) および (2020 Phys. Plasmas27 022507) の単純なモデルに基づき、この局在はバイノーマル波数の非ゼロ虚部から説明できることを示す。さらに、局在した磁気面-大域固有モードは、局所ジャイロ運動論コードstellaおよびGXから構築できることを示す。ただし、それは、まず各磁力線上で実波数を持つ局所分散関係を解き、その後複素波数平面への解析接続を行う場合に限る。これらの結果は、ステラレーターにおける線形ドリフト波固有モード構造を理解するためには、磁気面-大域的効果による複素波数スペクトルが必要であることを示唆している。