This study presents the first-principle, structure-preserving electromagnetic particle-in-cell simulation of the lower hybrid wave (LHW) in magnetic mirror-confined plasmas. The behavior of LHW propagation and ion heating is studied and compared with the ray-tracing results. Two full-wave effects of LHW propagation in the mirror devices, the rotation of LHW and tunnel effects near the resonance, are revealed and discussed. Meanwhile, the ion heating near the resonance layer is presented. We first provide the spatial profile of energy deposition in 3D space and conduct a long-term simulation that shows an up to 150% ion temperature increment and a maximal ion temperature of over 1.5 keV in the hot spot at the end. In addition, we further discuss the heating mechanism and elucidate the stochastic ion heating behavior in such a regime. The onset and advantages of such a heating mechanism in terms of the magnetic mirror are also discussed. The results proved the reliability and effectiveness of lower hybrid stochastic heating in mirror devices.
本研究は、磁気ミラー閉じ込めプラズマにおける低混成波(LHW)の第一原理・構造保存電磁粒子インセルシミュレーションを提示する。LHW伝播とイオン加熱の挙動を研究し、レイトレーシング結果と比較する。ミラーデバイスにおけるLHW伝播の2つの全波効果、すなわちLHWの回転と共鳴近傍のトンネル効果が明らかにされ、議論される。一方、共鳴層近傍のイオン加熱が提示される。我々はまず、3次元空間におけるエネルギー堆積の空間プロファイルを提供し、最大150%のイオン温度増加と、終了時にホットスポットで1.5 keVを超える最大イオン温度を示す長期シミュレーションを実施する。さらに、加熱メカニズムをさらに議論し、そのような領域における確率的イオン加熱挙動を解明する。このような加熱メカニズムの磁気ミラーの観点での発現と利点についても議論される。結果は、ミラーデバイスにおける低混成確率加熱の信頼性と有効性を証明した。