星际托机中合理flux面附近的能量粒子轨道：I. 穿越性粒子

最近的仿真表明，即使星际托机的磁场具有嵌套的扭曲flux面，穿越性能量粒子的轨道仍可能出现岛屿。这种“漂移岛屿”在合理flux面附近出现，可能增强α粒子传输——除非通过合适的星际托机磁场设计予以避免。为调查如何实现这一目标，我们推导了星际托机中漂移岛屿形状的方程。此结果源自更基本问题的解：即计算合理flux面附近穿越性粒子轨道的问题。我们表明，这些轨道由于与闭合合理面场线相关的adiabatic不变式的守恒所决定。我们利用这种“穿越adiabatic不变式”证明，如果且仅于磁场满足Cary-Shasharina条件的弱版本即可消除所有穿越性粒子的漂移岛屿；我们将此类磁场称为“cyclometric”。漂移岛屿宽度按$\sim (\rho_\star\delta/s)^{1/2} a$尺度（其中$\rho_\star$为归一化gyroradius，$\delta$为偏离cyclometry的程度，$s$为磁剪切，$a$为小半径），因此在剪切较小且不够cyclometric的星际托机中可能出现大尺度漂移岛屿。为确保对非常高能粒子获得准确结果，我们计算了穿越不变式的高阶修正。我们的计算与ASCOT5引导中心和全轨道仿真结果高度吻合，即便在$3.5\text{MeV}$时亦然。最后，我们表明这些结果也可通过哈密顿扰动理论推导，这为在合理和不合理flux面上计算穿越性粒子轨道提供了系统框架。