ジャイロ運動論的電磁気シミュレーション

ジャイロ運動論的電磁気シミュレーション（GEM）は、パーティクル・イン・セル法を用いたジャイロ運動論的プラズマ乱流シミュレーションです。トカマク核融合プラズマの波動、不安定性、非線形挙動の研究に使用されます。GEMに関する情報は、GEMのウェブページでご覧いただけます。 ^{[ 1 ]} GEMには2つのバージョンがあり、1つはフラックスチューブバージョン^{[ 2 ]}、もう1つはグローバル一般幾何学バージョンです。^{[ 3 ]} どちらのバージョンのGEMも、沿磁力線座標系を使用します。イオンは運動論的に扱われますが、ジャイロ軌道上で平均化され、電子はドリフト運動論的に扱われます ${\displaystyle \delta f}$

トカマクプラズマのモデリング

GEMは、十分に磁化されたプラズマに適した電磁ジャイロ運動方程式を解きます。プラズマは統計的に運動分布関数として扱われます。分布関数は、 3次元位置、エネルギー、および磁気モーメントに依存します。分布関数の時間発展は、磁力線の周りをサイクロトロン運動する粒子に関連する高速ジャイロ運動について、ブラソフ・マクスウェル方程式系を単純に平均化するジャイロ運動理論によって記述されます。これにより、ジャイロ運動に関連する高速な時間スケールが排除され、問題の次元数が6次元から5次元に削減されます。

方程式を解くアルゴリズム

GEMは、デルタf粒子インセル（PIC）プラズマシミュレーション法を採用しています。電子の高速運動によって引き起こされる微小時間ステップの限界を克服するために、電子の断熱応答に関する展開が行われます。GEMは、高圧プラズマにおける電磁気問題の直接数値シミュレーションを可能にする、革新的な電磁気アルゴリズムを採用しています。GEMは、超並列コンピュータで良好なパフォーマンスを得るために、グリッドと粒子の2次元領域分割（領域分割法を参照）を採用しています。小角クーロン衝突のモデル化には、モンテカルロ法が用いられています。

応用

GEMは、トカマクプラズマの乱流と輸送に関連する非線形物理を研究するために使用されます。イオン温度勾配モード、電子温度勾配モード、捕捉電子モード、マイクロティアリングモードによって駆動されるトカマク乱流は、GEMを用いて研究されてきました。また、高エネルギー粒子駆動の磁気流体力学（磁気流体力学を参照）固有モード を調べるためにも使用されています

参考文献

1. プラズマシミュレーショングループ - 統合プラズマ研究センター
2. 運動電子と電磁気摂動を考慮したジャイロ運動論的シミュレーションのためのデルタf法、Y. ChenとS. Parker、J. Comput. Phys. 189 463 (2003)。
3. 現実的な平衡プロファイルと形状を用いた電磁ジャイロ運動論的デルタ-f粒子インセル乱流シミュレーション、Y. ChenとS. Parker、J. of Comp. Phys. 220 839 (2007)

外部リンク

• http://cips.colorado.edu/Group/Simulation/Gem.php