In this work, we propose a hybrid model that combines drift-kinetic electrons with fully kinetic ions under the quasi-neutrality assumption, discretized using a geometric particle-in-cell framework on dual-grids. The model advances the perturbed electromagnetic fields and directly, rather than the scalar and vector potentials. The parallel electric field is obtained from Ohm’s law. The perpendicular electric field is computed from Ampère’s law by extracting the -dependent component of the drift-kinetic electron current. The quasi-neutrality constraint eliminates high-frequency light waves and Langmuir waves from the system. Temporal discretization is performed using low-storage Runge–Kutta schemes. In this quasi-neutral hybrid model, the right-hand polarized wave branch exhibits a whistler-like dispersion relation, which imposes a stringent timestep constraint. To address this, we develop a novel implicit-explicit splitting scheme for Faraday’s law that significantly relaxes the timestep stability restriction. The model is validated in slab geometry by reproducing cold plasma wave branches, ion Bernstein waves, compressional and shear Alfvén waves, and ion acoustic waves.
本研究では、準中性仮定の下で、ドリフト運動論的電子と完全運動論的イオンを組み合わせたハイブリッドモデルを提案する。このモデルは、双対格子上の幾何学的粒子インセル枠組みを用いて離散化される。モデルは、スカラーポテンシャルとベクトルポテンシャルではなく、摂動電磁場δBおよびδEを直接時間発展させる。平行電場E_∥はオームの法則から得られる。垂直電場E_⊥は、ドリフト運動論的電子電流のδB依存成分を抽出することにより、アンペールの法則から計算される。準中性条件は、系から高周波光波およびラングミュア波を除去する。時間離散化は、低記憶ルンゲ=クッタ法を用いて行われる。この準中性ハイブリッドモデルでは、右旋回偏波分枝がホイスラー的分散関係を示し、これが厳しい時間刻み制約を課す。この問題に対処するため、ファラデーの法則に対する新規な陰解法-陽解法分割スキームを開発し、時間刻みの安定性制約を大幅に緩和する。モデルは、スラブ幾何において、冷たいプラズマの波動分枝、イオンバーンスタイン波、圧縮性およびせん断アルフヴェン波、イオン音波を再現することにより検証される。