外部 1D1V kinetic oracle を検証に使う

beach-kinetic-response は、matching-plane の入力を固定し、外側の無衝突 1D1V Vlasov—Poisson 系が 定常または統計的定常へ到達するかを調べる研究用の offline tool です。BEACH runtime と時間発展を連成せず、 認証できた完全直積の応答だけを既存の response_backend="table" 用 CSV へ変換します。

この tool の正常終了は物理的な妥当性を意味しません。各 query の classification、格子収束、遠方境界、保存則を 確認してから table へ変換します。

1. Reference sweep を実行する

repository root で次を実行します。出力先は空または未作成でなければなりません。

beach-kinetic-response \
  examples/outer_kinetic_reference.toml \
  examples/outer_kinetic_k1_k6.csv \
  outputs/outer-kinetic-atlas

この例は Zhao の一意解、複数根、no-root 領域を含む診断 sweep です。全点が認証されることを期待する production fixture ではありません。完了すると次を生成します。

出力	用途
kinetic_response_raw.csv	応答、分類、stationarity、遠方境界、保存則の query 別結果
kinetic_response_manifest.json	格子、速度範囲、CFL、許容値、commit、source hash、raw CSV hash
kinetic_response_profiles/	電位・電場・電荷密度 profile と時系列

2. 分類を読む

classification	table への使用
steady	格子・領域収束後に使用可能
stationary_average	自己相関時間と SEM を確認し、converter で明示許可した場合だけ使用可能
unresolved_transient	使用不可。計算時間または averaging window を見直す
secular	使用不可。任意時刻の平均で置き換えない
far_boundary_not_converged	使用不可。まず外部長と遠方の物理 model を検証する
numerical_failure	使用不可。failure_reason と速度領域・保存則を確認する

solver は $E(H)=D_H/\epsilon_0$ と $\Phi(L)=0$ を境界条件にします。E(L)=0 は追加拘束ではなく、 外部長が十分かを判定する診断です。ambient の外向き入力は v1 では 0 のみ受理します。 raw CSV の far_field_v_m と far_charge_imbalance は、最後の averaging window における絶対値の最大です。 符号と profile は対応する NPZ を確認します。

ambient_electron.number_density_m3 と ambient_ion.number_density_m3 は、遠方境界から入る drifting Maxwellian 全体の振幅です。境界で実際に与えるのは $v<0$ の半空間だけなので、この値は計算された遠方密度と 同じとは限りません。v1 は electron source 振幅を E(L)=0 へ自動調整しません。Zhao との overlap 比較では Zhao root が求めた ambient electron source density と揃え、Zhao が解けない点では source density 自体も独立な 収束軸として走査します。固定値が不整合なままの far-boundary failure を、外部長不足と解釈してはいけません。

3. 認証済み subset を table にする

converter は raw CSV の hash、全 query の分類、重複、完全 Cartesian product を検査します。欠損点を補間せず、 既定では steady 以外を拒否します。

beach-kinetic-table \
  outputs/outer-kinetic-atlas/kinetic_response_raw.csv \
  outputs/matching_plane_response.csv \
  --range displacement_c_m2=-1e-11:1e-11

manifest は raw CSV と同じディレクトリから自動検出します。別の場所にある場合は --manifest を指定します。 stationary_average を採用する場合だけ --allow-stationary-average を明示します。

生成した CSV は既存の matching-plane table backendで読み込めます。

4. Production 候補にする前の比較

少なくとも次を個別に変えます。

• nz と各 species の nv
• velocity の上下限
• z_length_m
• cfl
• max_time_s と averaging window

Zhao の一意解がある点では、$\Phi_H$、ambient inward flux、PE return / escape flux を Zhao と比較します。 その後、同じ BEACH case を zhao_online と kinetic-derived table で実行し、表面電荷、gap 電位、吸収電流を 比較します。最後に matching-plane 高度を 3 点以上変え、主要量が収束しなければ no_matching_overlap と判断します。

この oracle は無衝突・非磁化・1Dで、PEを束と平均法線 energyから half-Maxwellianへ再構成します。強いPE beamで 遠方準中性が成立しない場合、外部長の延長だけで認証を通してはいけません。衝突、磁場、幾何拡散、energy-resolved VDFが必要かを別 model で検証します。