Linear and nonlinear kinetic-MHD hybrid simulations have been carried out to investigate linear stability and nonlinear dynamics of beam-driven fishbone instability in spherical tokamak plasmas. Realistic NSTX parameters with finite toroidal rotation were used. The results show that the fishbone is driven by both trapped and passing particles. The instability drive of passing particles is comparable to that of trapped particles in the linear regime. The effects of rotation are destabilizing and a new region of instability appears at higher qmin (>1.5) values, qmin being the minimum of safety factor profile. In the nonlinear regime, the mode saturates due to flattening of beam ion distribution, and this persists after initial saturation while mode frequency chirps down in such a way that the resonant trapped particles move out radially and keep in resonance with the mode. Correspondingly, the flattening region of beam ion distribution expands radially outward. A substantial fraction of initially non-resonant trapped particles become resonant around the time of mode saturation and keep in resonance with the mode as frequency chirps down. On the other hand, the fraction of resonant passing particles is significantly smaller than that of trapped particles. Our analysis shows that trapped particles provide the main drive to the mode in the nonlinear regime.
線形および非線形の運動論的MHDハイブリッドシミュレーションを実施し、球状トカマクプラズマにおけるビーム駆動フィッシュボーン不安定性の線形安定性と非線形動力学を調べた。有限トロイダル回転を伴う現実的なNSTXパラメータを用いた。結果は、フィッシュボーンが捕捉粒子と通過粒子の両方によって駆動されることを示している。線形領域では、通過粒子の不安定性駆動は捕捉粒子のそれに匹敵する。回転の効果は不安定化であり、qminが安全係数プロファイルの最小値であるが、より高いqmin（>1.5）値で新たな不安定性領域が現れる。非線形領域では、モードはビームイオン分布の平坦化により飽和し、この状態は初期飽和後も持続する一方、モード周波数は、共鳴捕捉粒子が径方向外側に移動してモードと共鳴を保つようにチャープダウンする。対応して、ビームイオン分布の平坦化領域は径方向外側に拡大する。初期に非共鳴であった捕捉粒子のかなりの割合が、モード飽和の頃に共鳴状態になり、周波数がチャープダウンするにつれてモードと共鳴を保つ。一方、共鳴通過粒子の割合は捕捉粒子のそれよりも有意に小さい。我々の解析は、非線形領域では捕捉粒子がモードへの主要な駆動を提供することを示している。